DE29522067U1 - Power generation system for a vehicle with an internal combustion engine - Google Patents
Power generation system for a vehicle with an internal combustion engineInfo
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Description
24 707/DE/324 707/EN/3
DaimlerChrysler AG FTP/S kohDaimlerChrysler AG FTP/S koh
Stuttgart . 16.04.1999Stuttgart . 16.04.1999
Die Erfindung betrifft ein Stromer&zgr;eugungssystem für ein Fahrzeug mit Brennkraftmaschine gemäß-spruch 1.The invention relates to a power generation system for a vehicle with an internal combustion engine according to claim 1.
Bei herkömmlichen Fahrzeugen ist zur Erzeugung von elektrischer Energie eine Lichtmaschine vorgesehen, die von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der von der Lichtmaschine gelieferte Strom wird zum einen den elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Zum anderen dient die Lichtmaschine auch zum Laden der Fahrzeugbatterie.In conventional vehicles, an alternator is used to generate electrical energy, which is driven by the internal combustion engine. The power supplied by the alternator is made available to the electrical consumers in the vehicle. The alternator is also used to charge the vehicle battery.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromerzeugungssystem für ein Fahrzeug mit Brennkraftmaschine zu schaffen, durch welches der Strom für die elektrischen Verbraucher bei verringertem Kraftstoffverbrauch und unabhängig von der momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt werden kann.The invention is based on the object of creating a power generation system for a vehicle with an internal combustion engine, by means of which the power for the electrical consumers can be made available with reduced fuel consumption and independently of the current speed of the internal combustion engine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des -Pafeesffiinspruchs I gelöst.The object is achieved according to the invention by the characterizing features of patent claim I.
Die Verwendung eines Brennstoffzellensystems anstelle einer Lichtmaschine in einem Fahrzeug mit Brennkraftmaschine weist den Vorteil auf, daß der benötigte Strom aufgrund des besseren Wirkungsgrades der Brennstoffzelle mit deutlich verringertem Kraftstoffverbrauch bereitgestellt werden kann. Außerdem kann die Leistung der Brennstoffzelle unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine eingestellt werden, so daß die momentan erzeugte elektrische Leistung an den jeweiligen Bedarf angepaßt werden kann. Bei Verwendung eines solchen Systems ist esThe use of a fuel cell system instead of an alternator in a vehicle with an internal combustion engine has the advantage that the required electricity can be provided with significantly reduced fuel consumption due to the better efficiency of the fuel cell. In addition, the power of the fuel cell can be adjusted independently of the speed of the internal combustion engine, so that the electrical power currently generated can be adapted to the respective requirement. When using such a system, it is
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vorteilhaft, mechanische Antriebe von Nebenaggregaten, wie zum Beispiel Lüfter oder Klimakompressor, durch Elektroantriebe zu ersetzen. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch weiter verringert werden.It is advantageous to replace mechanical drives of auxiliary units, such as fans or air conditioning compressors, with electric drives. This can further reduce fuel consumption.
Schließlich bietet eine Brennstoffzelle die Möglichkeit, elektrischen Strom auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine bereitzustellen, so daß Verbesserungen, beispielsweise bei der Klimatisierung des Fahrzeugs, ermöglicht werden.Finally, a fuel cell offers the possibility of providing electrical power even when the internal combustion engine is switched off, thus enabling improvements, for example in the vehicle's air conditioning.
Im folgenden wird der Aufbau eines solchen Stromerzeugungssystems anhand einer Prinzipzeichnung näher erläutert.In the following, the structure of such a power generation system is explained in more detail using a schematic drawing.
Das nicht näher gezeigte Fahrzeug wird mit Hilfe einer Brennkraftmaschine 1 angetrieben. Zur Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit flüssigem Kraftstoff ist ein Kraftstofftank 2 und eine Kraftstoffleitung 3 vorgesehen. Zur Erzeugung von elektrischer Energie ist außerdem eine Brennstoffzelle 4 im Fahrzeug angeordnet. Vorzugsweise kann hierfür eine H2/O2-Brennstoffzelle mit protonenleitender Membran, im folgenden als PEM-Zelle bezeichnet, eingesetzt werden. Selbstverständlich können jedoch auch andere Brennstoffzellensysteme verwendet werden.The vehicle, not shown in detail, is driven by an internal combustion engine 1. A fuel tank 2 and a fuel line 3 are provided to supply the internal combustion engine 1 with liquid fuel. A fuel cell 4 is also arranged in the vehicle to generate electrical energy. Preferably, an H2/O2 fuel cell with a proton-conducting membrane, hereinafter referred to as a PEM cell, can be used for this purpose. Of course, other fuel cell systems can also be used.
Der PEM-Zelle 4 wird über eine erste Zuleitung 7 Sauerstoff und über eine zweite Zuleitung 8 Wasserstoffgas zugeführt. Der Wasserstoff wird an der Anode oxydiert und der Sauerstoff an der Kathode reduziert. Bei dieser elektrochemischen Reaktion entsteht zwischen den beiden Elektroden eine Spannung. Zur Bereitstellung einer vorgegebenen elektrischen Leistung können viele solcher Zellen durch Parallel- beziehungsweise Hintereinanderschaltung zu einem sogenannten Stack zusammengefügt werden. Bei Verwendung von reinem Wasserstoff und Sauerstoff wird von der PEM-Zelle 4 lediglich Restsauerstoff und Wasser über eine Auslaßleitung 9 abgegeben.Oxygen is supplied to the PEM cell 4 via a first supply line 7 and hydrogen gas via a second supply line 8. The hydrogen is oxidized at the anode and the oxygen is reduced at the cathode. This electrochemical reaction creates a voltage between the two electrodes. To provide a given electrical output, many such cells can be connected in parallel or in series to form a so-called stack. When pure hydrogen and oxygen are used, only residual oxygen and water are released from the PEM cell 4 via an outlet line 9.
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Bei einer solchen Anwendung im Fahrzeug wird der Sauerstoff der PEM-Zelle 4 in Form von Luftsauerstoff zugeführt. Der benötigte Wasserstoff wird vorzugsweise aus dem für die Brennkraftmaschine 1 verwendeten Kraftstoff abgetrennt. Übliche Kraftstoffe, wie zum Beispiel Diesel, Normalbenzin oder auch Methanol enthalten Kohlenwasserstoffe, aus denen auf relativ einfache Art und Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Spaltanlage 10, Wasserstoff abgetrennt werden kann. Der genaue Aufbau solcher Spaltanlagen 10 ist prinzipiell bekannt und wird daher hier nicht weiter beschrieben. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen eine möglichst vollständige Zerlegung des Kraftstoffs in Wasserstoff und ein sauberes Restgas, das anschließend an die Umgebung abgegeben wird, erfolgt, wird bei der gezeigten Anordnung vorzugsweise nur ein Teil des Wasserstoffs aus dem Kraftstoff abgetrennt und die verbleibenden Kraftstoffbestandteile anschließend in der Brennkraftmaschine 1 weiterverwertet.In such an application in the vehicle, the oxygen is supplied to the PEM cell 4 in the form of atmospheric oxygen. The hydrogen required is preferably separated from the fuel used for the internal combustion engine 1. Common fuels, such as diesel, regular gasoline or methanol, contain hydrocarbons from which hydrogen can be separated in a relatively simple manner, for example with the help of a cracking system 10. The exact structure of such cracking systems 10 is known in principle and will therefore not be described further here. In contrast to known arrangements in which the fuel is broken down as completely as possible into hydrogen and a clean residual gas, which is then released into the environment, in the arrangement shown, preferably only a portion of the hydrogen is separated from the fuel and the remaining fuel components are then reused in the internal combustion engine 1.
Die Abtrennung des Wasserstoffs von den verbleibenden Kraftstoff bestandteilen erfolgt in einer H2-Trennanlage 11, wobei der abgetrennte Wasserstoff über eine Versorgungsleitung 12 der PEM-Zelle 4 zugeführt. In dieser Versorgungsleitung 12 kann zusätzlich ein &EEacgr;.2-Zwischenspeicher 13 angeordnet werden. Dieser H2-Zwischenspeicher 13 kann zum einen dazu verwendet werden, beim Fahrzeugstart die PEM-Zelle 4 solange mit Wasserstoff zu versorgen, bis die Wasserstoffversorgung über die Spaltanlage 10 betriebsbereit ist. Zum anderen ist es möglich, die PEM-Zelle auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine 1 zur Bereitstellung von elektrischer Energie weiterhin zu betreiben, wobei in diesem Fall der Wasserstoff aus dem H2-Zwischenspeicher 13 zugeführt wird. Im Normalbetrieb kann dann der Wasserstoff auch von der H2-Trennanlage 11 unter Umgehung des H2-Zwischenspeichers 13 über eine Umgehungsleitung 14 direkt der PEM-Zelle 4 zugeführt werden. Zur Trennung des Wasserstoffs von den restlichen Kraft-Stoffbestandteilen kann eine beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 11 Verwendung finden, beispielsweise auf der Basis von Metallfolien.The separation of the hydrogen from the remaining fuel components takes place in an H2 separation system 11, with the separated hydrogen being fed to the PEM cell 4 via a supply line 12. An additional H2 buffer 13 can be arranged in this supply line 12. This H2 buffer 13 can be used, on the one hand, to supply the PEM cell 4 with hydrogen when the vehicle is started until the hydrogen supply via the cracking system 10 is ready for operation. On the other hand, it is possible to continue to operate the PEM cell to provide electrical energy even when the internal combustion engine 1 is switched off, in which case the hydrogen is fed from the H2 buffer 13. In normal operation, the hydrogen can then also be fed directly to the PEM cell 4 from the H2 separation system 11 via a bypass line 14, bypassing the H2 buffer 13. To separate the hydrogen from the remaining fuel components, any device 11 known from the prior art can be used, for example based on metal foils.
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Die in der H2-Trennanlage 11 verbliebenen Kraftstoffbestandteile werden über eine Entsorgungsleitung 15 abgeführt. Für die Verwertung dieser Kraftstoffbestandteile stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Flüssige Bestandteile können über eine Leitung 17 in den Kraftstofftank 2 zurückgeführt werden. Gasförmige Bestandteile können der Brennkraftmaschine 1 über eine Leitung 18 entweder direkt oder vorzugsweise über einen Gemischbilder 16, der auch mit der Kraftstoffleitung 3 verbunden ist, zugeführt werden. In diesem Fall ist der Gemischbilder 16 über eine weitere Leitung 19 mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden.The fuel components remaining in the H2 separation system 11 are discharged via a disposal line 15. There are several options available for the utilization of these fuel components. Liquid components can be returned to the fuel tank 2 via a line 17. Gaseous components can be fed to the internal combustion engine 1 via a line 18 either directly or preferably via a mixture former 16, which is also connected to the fuel line 3. In this case, the mixture former 16 is connected to the internal combustion engine 1 via a further line 19.
In der Entsorgungsleitung 15 kann zusätzlich ein Zwischenspeicher 2 0 für die verbleibenden Kraftstoffbestandteile vorgesehen werden. Dies hat den Vorteil, daß die verbleibenden Kraftstoffbestandteile zwischengespeichert und erst bei Bedarf der Brennkraftmaschine 1 zugeführt werden können. Für den Fall, daß die PEM-Zelle 4 auch bei Stillstand der Brennkraftmaschine betrieben werden soll, ist die Verwendung eines solchen Zwischenspeichers 2 0 besonders vorteilhaft. Im Zwischenspeicher 2 0 können die Kraftstoffbestandteile dann ganz oder teilweise kondensiert und anschließend dem Kraftstofftank 2 zugeführt werden. Die gasförmigen Kraftstoffbestandteile werden dann wiederum über den Gemischbilder 16 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.An additional intermediate storage 20 for the remaining fuel components can be provided in the disposal line 15. This has the advantage that the remaining fuel components can be stored temporarily and only fed to the internal combustion engine 1 when required. In the event that the PEM cell 4 is to be operated even when the internal combustion engine is at a standstill, the use of such an intermediate storage 20 is particularly advantageous. The fuel components can then be completely or partially condensed in the intermediate storage 20 and then fed to the fuel tank 2. The gaseous fuel components are then in turn fed to the internal combustion engine 1 via the mixture former 16.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren mit Hilfe der Spaltanlage 10 können jedoch auch beliebige andere Verfahren verwendet werden, um aus dem Kraftstoff Wasserstoff teilweise oder vollständig abzutrennen, beispielsweise auch durch Reformierung des Kraftstoffs.In addition to the method described above using the cracking system 10, any other method can be used to partially or completely separate hydrogen from the fuel, for example by reforming the fuel.
Der von der PEM-Zelle 4 erzeugte Strom wird den elektrischen Verbrauchern 5 im Fahrzeug zugeführt. Außerdem kann der erzeugte Strom zum Laden einer Batterie 6, die zum Starten der PEM-Zelle 4 und/oder der Spaltanlage 10 benötigt wird, eingesetzt werden. Eine Lichtmaschine wird bei diesem System nicht mehr verwendet.The electricity generated by the PEM cell 4 is fed to the electrical consumers 5 in the vehicle. In addition, the electricity generated can be used to charge a battery 6, which is required to start the PEM cell 4 and/or the splitting system 10. An alternator is no longer used in this system.
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Deren Funktion wird vollständig durch die PEM-Zelle (4) wahrgenommen.Their function is completely performed by the PEM cell (4).
Ein Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Systems wird im folgenden näher erläutert. Da bei der Erzeugung des Wasserstoffs der flüssige Kraftstoff nicht vollständig zerlegt, sondern nur ein Teil des Wasserstoffs abgetrennt wird, müssen die verbleibenden Kraftstoffbestandteile weiterverwertet werden. Hierfür stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Zum einen können gasförmige Reste im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 entweder direkt oder über den Gemischbilder 16 zur Verwertung zugeführt werden. Zum anderen können gasförmige: Reste auch im Zwischenspeicher 20 gepuffert und erst mit zeitlicher Verzögerung der Brennkraftmaschine 1 direkt oder wiederum über den Gemischbilder 16 zugeführt werden. Möglich ist es hierbei auch, die Reste aus dem Zwischenspeicher 2 0 nur unter vorgegebenen Betriebsbedingungen zu verwerten. Bleiben bei der Wasserstoffabtrennung flüssige Bestandteile zurück, so können diese als Kondensat dem Kraftstofftank 2 zugeführt werden. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Kraftstoffqualität, insbesondere die Zündfähigkeit, durch die Wasserstoffabtrennung nicht übermäßig beeinträchtig wird.A method for operating the system described above is explained in more detail below. Since the liquid fuel is not completely broken down during the production of hydrogen, but only a portion of the hydrogen is separated, the remaining fuel components must be recycled. Various options are available for this. On the one hand, gaseous residues can be fed for recycling during operation of the internal combustion engine 1 either directly or via the mixture former 16. On the other hand, gaseous residues can also be buffered in the intermediate storage 20 and only fed to the internal combustion engine 1 directly or again via the mixture former 16 after a time delay. It is also possible to only utilize the residues from the intermediate storage 20 under predetermined operating conditions. If liquid components remain during the hydrogen separation, they can be fed to the fuel tank 2 as condensate. However, care must be taken to ensure that the fuel quality, in particular the ignitability, is not unduly impaired by the hydrogen separation.
Die PEM-Zelle 4 kann beliebig lange betrieben werden, solange die Brennkraftmaschine 1 in Betrieb und genügend Kraftstoff vorhanden ist. Der Betrieb der PEM-Zelle 4 ist jedoch nicht, wie bei einer Lichtmaschine, auf die Betriebszeiten der Brennkraftmaschine 1 eingeschränkt. Es ist bei diesem System vielmehr auch möglich, bei Stillstand der Brennkraftmaschine 1 weiterhin elektrische Energie zu erzeugen. Hierzu sind verschiedene Konzepte möglich. Bei einer kurzfristigen Unterbrechung - im Bereich von wenigen Minuten - kann in der Spaltanlage 10->\solange Wasserstoff erzeugt werden, bis der Zwischenspeicher 2 0 durch die verbleibenden Kraftstoffbestandteile gefüllt ist. Bei mittleren Unterbrechungen - im Bereich von 0,5 bis 1,5 Stunden kann die Spaltanlage 10 abgeschaltet und die PEM-Zelle 4 durch Wasserstoff aus dem H2-Zwischenspeicher 13 versorgt werden.The PEM cell 4 can be operated for any length of time, as long as the internal combustion engine 1 is running and there is enough fuel. However, the operation of the PEM cell 4 is not limited to the operating times of the internal combustion engine 1, as is the case with an alternator. In fact, this system also makes it possible to continue generating electrical energy when the internal combustion engine 1 is at a standstill. Various concepts are possible for this. In the event of a short interruption - in the range of a few minutes - hydrogen can be generated in the cracking system 10 until the intermediate storage 20 is filled with the remaining fuel components. In the event of medium-length interruptions - in the range of 0.5 to 1.5 hours - the cracking system 10 can be switched off and the PEM cell 4 can be supplied with hydrogen from the H2 intermediate storage 13.
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Hierbei muß jedoch darauf geachtet werden, daß im E2 -Zwischenspeicher 13 zumindest soviel Wasserstoff verbleibt, wie bei einen Neustart der Brennkraftmaschine 1 benötigt wird. Bei längerfristigen Unterbrechungen bleibt die Möglichkeit, die verbleibenden Kraftstoffbestandteile zu Kondensieren und in den Kraftstofftank 2 zurückzuleiten. Hierbei muß jedoch die Kraftstoffqualität im Kraftstofftank 2 hinsichtlich ausreichender Zündfähigkeit überwacht werden. Als Voraussetzung für den Betrieb der PEM-Zelle 4 bei längerfristigen Motorstillstand kann vorgesehen werden, daß der Kraftstofftank ausreichend, beispielsweise zu mindestens 75%, gefüllt ist. Bei nicht ausreichendem Füllstand besteht nämlich das Risiko, daß durch die Abtrennung von Wasserstoff die Zündfähigkeit des verbleibenden Kraftstoffs so weit verringert wird, daß er für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 nicht mehr geeignet ist.However, care must be taken to ensure that at least as much hydrogen remains in the E 2 buffer 13 as is required when the internal combustion engine 1 is restarted. In the event of longer interruptions, it is possible to condense the remaining fuel components and return them to the fuel tank 2. However, the fuel quality in the fuel tank 2 must be monitored to ensure it is sufficiently ignitable. As a prerequisite for the operation of the PEM cell 4 when the engine is not running for a longer period, it can be provided that the fuel tank is sufficiently full, for example to at least 75%. If the fill level is insufficient, there is a risk that the separation of hydrogen will reduce the ignitable nature of the remaining fuel to such an extent that it is no longer suitable for combustion in the internal combustion engine 1.
Um dieses Problem zu umgehen kann zur Auffrischung der Spaltfähigkeit die Zugabe von geeigneten Additiven mit leichtsiedenden Komponenten in den Kraftstofftank 2 vorgesehen werden. In diesem Fall kann dann die Spaltanlage 10 relativ einfach ausgeführt werden.In order to avoid this problem, the addition of suitable additives with low-boiling components to the fuel tank 2 can be provided in order to refresh the splitting ability. In this case, the splitting system 10 can then be designed relatively simply.
Bei der Inbetriebnahme des Fahrzeugs kann die PEM-Zelle 4 kurzfristig mit Wasserstoff aus dem U2 -Zwischenspeicher 13 versorgt werden. Erst nach einer vorgegebenen Betriebszeit der PEM-Zelle 4 wird dann die Spaltanlage 10 gestartet. Die elektrische Energie zum Starten der PEM-Zelle 4 und/oder der Spaltanlage 10 wird vorzugsweise durch eine Batterie 6 bereitgestellt. Die Batterie 6 kann bei einem solchen System im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugbatterien gegebenenfalls entsprechend kleiner dimensioniert werden.When the vehicle is put into operation, the PEM cell 4 can be briefly supplied with hydrogen from the U 2 buffer 13. The fission plant 10 is only started after a predetermined operating time of the PEM cell 4. The electrical energy for starting the PEM cell 4 and/or the fission plant 10 is preferably provided by a battery 6. In such a system, the battery 6 can, if necessary, be dimensioned accordingly smaller than conventional vehicle batteries.
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Um den Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter zu verbessern ist es außerdem möglich, die Leistung der PEM-Zelle 4 den Anforderungen laufend anzupassen. So muß die PEM-Zelle 4 nicht mit konstanter Last betrieben werden, sondern kann in Abhängigkeit vom benötigten Strom eingestellt werden. Hierzu kann einIn order to further improve the efficiency of the overall system, it is also possible to continuously adapt the performance of the PEM cell 4 to the requirements. This means that the PEM cell 4 does not have to be operated with a constant load, but can be adjusted depending on the required current. For this purpose, a
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Steuergerät vorgesehen werden, das die Solleistung der PEM-Zelle 4 in Abhängigkeit von der Anzahl und dem Bedarf der zugeschalteten elektrischen Verbrauchern 5 vorgibt.A control unit can be provided which specifies the target output of the PEM cell 4 depending on the number and requirements of the connected electrical consumers 5.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29522067U DE29522067U1 (en) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Power generation system for a vehicle with an internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19523109A DE19523109C2 (en) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Motor vehicle with an internal combustion engine and a power generation system |
| DE29522067U DE29522067U1 (en) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Power generation system for a vehicle with an internal combustion engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29522067U1 true DE29522067U1 (en) | 1999-09-09 |
Family
ID=26016275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29522067U Expired - Lifetime DE29522067U1 (en) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Power generation system for a vehicle with an internal combustion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29522067U1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1995
- 1995-06-26 DE DE29522067U patent/DE29522067U1/en not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19991014 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20000208 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20010709 |
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| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20030617 |
|
| R071 | Expiry of right |