Les piles à combustible PEM sont des systèmes complexes faisant intervenir de nombreux auxiliaires. Ces auxiliaires ont un impact sur le rendement global du système. Une des possibilités pour améliorer le rendement global du système est d'améliorer le rendement de ces auxiliaires et notamment celui du système de recirculation d'hydrogène.Le système de recirculation d'hydrogène permet à la fois l'apport de l'hydrogène à l'anode mais il permet également de gérer l'eau présente. Deux solutions sont proposées pour modifier le système de recirculation.La première solution utilise la consommation d'hydrogène à l'anode comme une pompe à vide permettant alors grâce à l'ouverture et à la fermeture cyclique d'une électrovanne, la mise en mouvement du gaz dans la boucle de recirculation. La deuxième solution consiste à utiliser un stack de pile à combustible comme une pompe à hydrogène qui s'intègre alors dans une boucle de recirculation classique.Ces deux solutions ont été étudiées analytiquement, numériquement (MATLAB©, SIMULINK©) et expérimentalement.La première solution a montré sa capacité à se substituer à un système de recirculation à pompe classique en ayant des performances de recirculation et une compacité équivalente mais surtout en améliorant le rendement global du système pile de 2.5% à sa puissance nominale.La seconde solution a montré une bonne capacité à gérer la recirculation d'hydrogène et sa spécificité de pompage de l'hydrogène seul ouvre la possibilité à de nombreux autres systèmes. / PEM fuel cells are complex systems involving many auxiliaries. These auxiliaries have an impact on the overall system performance. One possibility to improve the overall performance of the system is to improve the performance of these auxiliaries and in particular the system of hydrogen recirculation.The hydrogen recirculation system allows both the supply of hydrogen to the anode but also the management of the water present within the system. Two solutions are proposed to modify the recirculation system.The first solution uses the hydrogen consumption at the anode as a vacuum pumping mechanism used as the motive power of the recirculation loop. The second solution uses a fuel cell stack as a hydrogen pump which is then integrated into a conventional recirculation loop.Both solutions have been studied analytically, numerically (MATLAB ©, SIMULINK ) and experimentally.The first solution has demonstrated its ability to replace a conventional recirculation pump having equivalent recirculation performances and an equivalent compactness. It permits to improve the overall performance of the fuel cell by 2.5% at nominal power.The second solution has shown a good ability to manage the hydrogen recirculation. Its specificity to solely pump hydrogen opens up the possibility of many other systems. Anodic gases purification appears to be highly promising.

Um eine homogene und ausreichende Versorgung des Brennstoffzellen (BZ)-Stapels zu gewährleisten, wird in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug dem Stapel mehr Wasserstoff zugeführt, als für die Reaktion benötigt wird. Daher wird nicht verbrauchter Wasserstoff mit einer Strahlpumpe oder einem Rezirkulationsgebläse zum Anodeneingang des BZ-Stapels rezirkuliert. Aufgrund der Diffusion durch die Membran enthält das Anodenabgas neben dem Wasserstoff auch andere Bestandteile wie z.B. Stickstoff. Die Anreicherung des Stickstoffes im Anodenkreislauf führt zu einer ungleichmäßigen Stromdichteverteilung. Um dem entgegenzuwirken, wird in das System ein Spülventil eingebaut, das periodisch Gas ablässt um Stickstoff aus dem Anodenkreislauf abzuführen. Dabei lässt sich ein Wasser­stoffverbrauch nicht vermeiden. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Rentabilität des Brennstoffzellensystems im automobilen Einsatz durch Reduzierung des Wasserstoffverbrauchs zu steigern. Hierfür wird die Verwendung eines elektrochemischen Wasserstoffkompressors (EHC) zur Wasserstoffumwälzung vorgeschlagen. Ein EHC ist eine innovative H2-Fördertechnologie, wobei der Wasserstoff gleichzeitig verdichtet und gereinigt werden kann. Im Vergleich zu mechanischen Kompressoren sind elektrochemische Wasserstoffkompressoren aufgrund der nahezu isothermen Bedingungen sehr effizient. Darüber hinaus können Wasserstoffkompressoren aufgrund ihres modularen Aufbaus sehr flexibel und kompakt gebaut werden.:1. EINLEITUNG 2. STAND DER TECHNIK 3. GRUNDLAGEN DER BRENNSTOFFZELLEN 4. TRANSPORTVORGÄNGE IN DER BRENNSTOFFZELLE 5. ELEKTROCHEMISCHER WASSERSTOFFKOMPRESSOR IM REZIRKULATIONSKREISLAUF 6. SIMULATION 7. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 8. EINSATZ DES ELEKTROCHEMISCHEN WASSERSTOFFKOMPRESSORS IM BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG 9. ZUSAMMENFASSUNG 10. AUSBLICK / In order to ensure a homogeneous and sufficient supply of the fuel cell (FC) stack, more hydrogen is supplied to the stack in a fuel cell vehicle than required for the reaction. Therefore, unused hydrogen is recirculated to the anode inlet of the FC stack with an ejector or recirculation fan. Due to the diffusion through the membrane, the anode exhaust gas contains not only hydrogen but also other components such as nitrogen. The accumulation of nitrogen in the anode circuit leads to an uneven current density distribution. To counteract this, a purge valve is built into the system that periodically vents gas to purge nitrogen from the anode circuit. Hydrogen consumption cannot be avoided here. This work aims to increase the profitability of the fuel cell system in automotive application by reducing hydrogen consumption. For this purpose, the use of an electrochemical hydrogen compressor (EHC) for hydrogen circulation is proposed. An EHC is an innovative H2 delivery technology, whereby the hydrogen can be compressed and cleaned at the same time. Compared to mechanical compressors, electrochemical hydrogen compressors are very efficient due to the almost isothermal conditions. In addition, hydrogen compressors can be built very flexibly and compactly due to their modular design.:1. EINLEITUNG 2. STAND DER TECHNIK 3. GRUNDLAGEN DER BRENNSTOFFZELLEN 4. TRANSPORTVORGÄNGE IN DER BRENNSTOFFZELLE 5. ELEKTROCHEMISCHER WASSERSTOFFKOMPRESSOR IM REZIRKULATIONSKREISLAUF 6. SIMULATION 7. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 8. EINSATZ DES ELEKTROCHEMISCHEN WASSERSTOFFKOMPRESSORS IM BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG 9. ZUSAMMENFASSUNG 10. AUSBLICK