Dans le présent travail, un modèle de « hub énergétique » a été utilisé pour concevoir des réseaux combinés de chauffage et de refroidissement afin de bénéficier des synergies potentielles. Les réseaux de chauffage et de refroidissement font partie intégrante de divers bâtiments, campus ou villes. Le concept de réseau thermique intelligent et de « hub énergétique » plaide en faveur de l'intégration thermique pour bénéficier des synergies potentielles et faciliter l'utilisation des sources d'énergie renouvelables. Dans ce système intégré, les pompes à chaleur peuvent être utilisées pour récupérer la chaleur de la boucle de refroidissement et la fournir à la boucle de chauffage. La récupération de la chaleur résiduelle peut aider à réduire les coûts d'exploitation et les émissions de gaz à effet de serre. Les charges de chauffage et de refroidissement du réseau peuvent être satisfaites par des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques, des refroidisseurs et des pompes à chaleur. La conception du système et son fonctionnement ont été optimisés en termes de coût et d'émissions de gaz à effet de serre sous différentes combinaisons de charges de chauffage et de refroidissement. Les configurations de hub optimisées pour les scénarios avec et sans récupération de chaleur perdue ont été comparées, montrant que les pompes à chaleur étaient bénéfiques dans tous les scénarios. La capacité optimale des pompes à chaleur pour minimiser le coût total s'est avérée être d'environ 80% de la valeur maximale possible à partir d'une analyse thermodynamique des charges. La minimisation simultanée des coûts et des émissions a révélé une transition relativement nette du chauffage au gaz au chauffage électrique, car l'accent est davantage mis sur les émissions que sur les coûts, mais dans tous les cas, la récupération de la chaleur perdue avec des pompes à chaleur a été largement utilisée pour satisfaire les charges de chauffage et de refroidissement. Ensuite, en gardant le même cadre conçu ci-dessus, une méthode a été développée pour indiquer comment les unités de stockage d'énergie thermique (SET) peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Nous avons développé une méthode montrant comment les unités SET, couplées à des pompes à chaleur, peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Un modèle d'optimisation est introduit, basé sur un modèle de hub énergétique comprenant des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques et des refroidisseurs. Pour différents profils de charge, les réseaux thermiques intégrant des pompes à chaleur seules, SET seules ou une combinaison des deux sont comparés à un hub de référence sans intégration thermique. Il a été constaté que l'inclusion à la fois du SET et des pompes à chaleur génère plus de bénéfices que lorsqu'elles sont utilisées séparément, étendant l'utilisation synergique des pompes à chaleur pour satisfaire à la fois les charges de chauffage et de refroidissement. De plus, l'intérêt du SET lorsque les composants du système(refroidisseur ou chaudière) sont sous-dimensionnés est évalué. Il a été observé que dans ces cas, le SET contribue à satisfaire les demandes thermiques. Cependant, en raison de la configuration du système, il existe une limite de sous-dimensionnement du refroidisseur que les unités SET peuvent compenser. Ensuite, l'influence du fonctionnement à charge partielle des dispositifs du hub énergétique a été étudiée pour le même hub énergétique. Dans la pratique, l'efficacité à charge partielle des équipements tels que les refroidisseurs, les chaudières et les pompes à chaleur doit être prise en compte dans la conception et le contrôle des réseaux de chauffage et de refroidissement car elle peut fortement affecter leurs performances globales. Cependant, les modèles d'optimisation tels que les hubs énergétiques considèrent généralement des efficacités constantes en raison du défi de mettre en œuvre l'efficacité à charge partielle dans de tels modèles. Par conséquent, l'impact des courbes d'efficacité à charge partielle sur les résultats d'optimisation des hubs énergétiques n'est souvent pas clair, en particulier lorsque plusieurs appareils sont inclus. Dans ce travail, le coût total sur la vie d'un système de réseaux combinés de chauffage et de refroidissement a été optimisé sur la base d'un hub énergétique dans lequel des dispositifs d'efficacité à charge partielle (chaudières à gaz naturel, radiateurs électriques, refroidisseurs électriques et pompes à chaleur) ont été modélisés. Le modèle a été linéarisé et étudié sous différentes combinaisons de charges thermiques. Une méthode itérative a été développée pour optimiser la conception et l'exploitation du pôle énergétique dans ce contexte. Pour déterminer l'impact des efficacités à charge partielle, chaque appareil a été examiné individuellement tandis que l'efficacité des autres appareils est restée constante. L'erreur résultant de l'hypothèse d'un rendement constant a ensuite été calculée sur la base d'un hub de référence avec des rendements constants. Les résultats ont indiqué une erreur maximale sur le coût total de 1,85 %, 0,6 % et 0,16 % en supposant un rendement constant pour les chaudières, les refroidisseurs et les pompes à chaleur respectivement. Les charges pour lesquelles ces erreurs maximales se produisent ont ensuite été choisies pour optimiser le hub avec tous les appareils modélisés avec une courbe d'efficacité à charge partielle. Les erreurs ont augmenté à 1,9 %, 0,71 % et 1.49 %, respectivement. Enfin, le potentiel de récupération de chaleur perdue (WHR) d'un atelier de fabrication a été évalué. Dans un premier temps, les sources de chaleur résiduelle ont été identifiées et évaluées, ce qui a conduit à la préparation d'une carte de chaleur résiduelle pour l'entreprise. Par la suite, trois principales méthodes de récupération de la chaleur ont été choisies et analysées pour l'usine. Pour les étés, la possibilité de remplacer les refroidisseurs actuels de bureaux par un refroidisseur à absorption simple effet de 52 kW a été étudiée, ce qui coûterait 8,000 CAD de plus que les refroidisseurs actuels sur 20 ans. Pour les hivers, le flux de chaleur résiduelle conditionné peut être utilisé à des fins de chauffage local au lieu d'utiliser les systèmes de chauffage électrique actuellement utilisés, ce qui permettrait d'économiser environ 110,000 CAD sur 20 ans. Pour le reste de l'année, la consommation interne d'eau chaude de l'entreprise peut être fournie en utilisant un chauffe-eau hybride (WHR+ électricité), ce qui permettrait d'économiser environ 2,000 CAD sur la même période. / In the present work, an "energy hub" template was employed to design combined heating and cooling networks to benefit from potential synergies. Heating and cooling networks are integral components of various buildings, campuses, or cities. The concept of smart thermal grid and "energy hub" argue in favor of thermal integration to benefit from potential synergies and facilitate the use of renewable energy sources. In this integrated system, heat pumps can be used to recover heat from the cooling loop and supply it to the heating loop. Waste heat recovery can help reducing operation costs and greenhouse gas emissions. Heating and cooling loads of the network can be satisfied by natural gas boilers, electric heaters, chillers, and heat pumps. The design of the system and its operation were optimized with respect to cost and greenhouse gas emissions under different combinations of heating and cooling loads. The optimized hub configurations for scenarios with and without waste heat recovery were compared, showing that heat pumps were beneficial in all scenarios. The optimal capacity of heat pumps to minimize total cost was found to be ~80% of the maximal possible value from a thermodynamic analysis of the loads. The simultaneous minimization of cost and emissions revealed a relatively sharp transition from gas to electric heating as more emphasis is put on emissions than cost, but in all cases, waste heat recovery with heat pumps was heavily used to satisfy the heating and cooling loads. Next, keeping the same framework designed above, a method was developed to indicate how thermal energy storage (TES) units can contribute to reduce the total cost of a thermal grid. We developed a method showing how TES units, coupled with heat pumps, can contribute to reducing the total cost of a thermal grid. An optimization model is introduced, based on an energy hub model including natural gas boilers, electric heaters, and chillers. For different load profiles, thermal grids integrating heat pumps alone, TES alone, or a combination of both are compared to a reference hub with no thermal integration. It was found that the inclusion of both TES and heat pumps together results in more profits than when they are used separately, extending the synergic use of the heat pumps to satisfy both heating and cooling loads. Furthermore, the benefit of TES when components of the system (chiller or boiler) are under-sized is assessed. It was observed that in these cases, TES contributes to satisfying the thermal demands. However, due to the configuration of the system, there is a limit of chiller under-sizing that TES units can compensate. Then, the influence of part-load operation of energy hub devices was studied for the same energy hub. In practice, part-load efficiency of equipment such as chillers, boilers, and heat pumps need to be taken into account in the design and control of heating and cooling networks as it can strongly affect their overall performance. However, optimization models such as energy hubs usually consider constant efficiencies due to the challenge of implementing part-load efficiency in such models. Therefore, the impact of part-load efficiency curves on energy hub optimization results is often unclear, in particular when multiple devices are included. In this work, the lifetime cost of a combined heating and cooling networks system was optimized based on an energy hub in which part-load efficiency devices (natural gas boilers, electric heaters, electric chillers, and heat pumps) were modeled. The model was linearized and studied under different combinations of thermal loads. An iterative method was developed to optimize the design and operation of the energy hub in this context. To determine the impact of part-load efficiencies, each device was individually examined while the efficiency of other devices remained constant. The error resulting from assuming a constant efficiency was then calculated based on a reference hub with constant efficiencies. The results indicated a maximum error on the total cost of 1.85%, 0.6%, and 0.16% by assuming constant-efficiency for the boilers, chillers, and heat pumps respectively. The loads for which these maximum errors occur were then chosen to optimize the hub with all devices modeled with a part-load efficiency curve. The errors increased to 1.9%, 0.71%, and 1.49%, respectively. Finally, the waste heat recovery (WHR) potential of a manufacturing workshop was assessed. First, the sources of waste heat were identified and evaluated, leading to preparation of a waste heat map for the company. Subsequently, three main WHR methods were chosen and analyzed for the plant. In the summer, the possibility of replacing the current office chillers with a 52 kW single-effect absorption chiller was investigated, which would cost 8,000 CAD more than the present chillers over 20 years. For winters, t waste heat can be used for local heating purposes instead of using the electric heating systems currently used, which would save approximately 110,000 CAD over 20 years. For the rest of the year, the internal hot water consumption for the company can be supplied by using a hybrid (WHR + electricity) water heater, which would save around 2,000 CAD over the same period.

En raison des quantités d’énergie requises par la production primaire d’aluminium et le rendement relativement faible, les rejets thermiques de cette industrie sont énormes. Ils sont par contre difficiles à utiliser à cause de leur faible température. De plus, tout changement apporté pour augmenter la température des rejets peut avoir un impact important sur la production. La compréhension du transfert thermique et de l’écoulement d’air dans une cuve peut aider à maintenir les conditions de la cuve lorsque des modifications y sont apportées. Le présent travail vise à développer cette compréhension et à apporter des solutions pour faciliter la capture des rejets thermiques. Premièrement, un circuit thermique est développé pour étudier les pertes thermiques par le dessus de la cuve. En associant des résistances thermiques aux paramètres physiques et d’opération, une analyse de sensibilité par rapport aux paramètres d’intérêt est réalisée pour déterminer les variables qui ont le plus d’influence sur la qualité thermique des rejets de chaleur dans les effluents gazeux. Il a été montré que la réduction du taux de ventilation des cuves était la solution la plus efficace. Ensuite, un modèle CFD a été développé. Un bon accord a été trouvé entre les deux modèles. Deuxièmement, une analyse systématique de la réduction de la ventilation des cuves a été réalisée par la simulation CFD. Trois problèmes qui peuvent survenir suite à une réduction du taux de ventilation sont étudiés et des modifications sont proposées et vérifiées par des simulations CFD. Le premier problème, maintenir les pertes thermiques via le dessus de la cuve, peut être résolu en exposant davantage les rondins à l’air pour augmenter les pertes radiatives. Le second problème soulevé par la réduction de ventilation concerne les conditions thermiques dans la salle des cuves et une influence limitée de la ventilation est observée par les simulations. Finalement, l’étanchéité des cuves est augmentée par une réduction des ouvertures de la cuve de manière à limiter les émissions fugitives sous des conditions de ventilation réduite. Les résultats ont révélé qu’une réduction de 50% du taux de ventilation est techniquement réalisable et que la température des effluents d’une cuve peut être augmentée de 50 à 60˚C. / Due to the high energy requirement and ~50% efficiency of energy conversion in aluminum reduction technology, the waste heat is enormous but hard to be recovered. The main reason lay in its relatively low temperature. Moreover, any changes may affect other aspects of the production process, positively or negatively. A complete understanding of the heat transfer and fluid flow in aluminum smelting cells can help to achieve a good trade-off between modifications and maintenance of cell conditions. The present work aims at a systematic understanding of the heat transfer in aluminum smelting cell and to propose the most feasible way to collect the waste heat in the cell. First, a thermal circuit network is developed to study the heat loss from the top of a smelting cell. By associating the main thermal resistances with material or operating parameters, a sensitivity analysis with respect to the parameters of interest is performed to determine the variables that have the most potential to maximize the thermal quality of the waste heat in the pot exhaust gas. It is found that the reduction of pot draft condition is the most efficient solution. Then, a more detailed Computational Fluid Dynamics (CFD) model is developed. A good agreement between the two models is achieved. Second, a systematic analysis of the reduction of draft condition is performed based on CFD simulations. Three issues that may be adversely affected by the draft reduction are studied and corresponding modifications are proposed and verified in CFD simulations. The first issue, maintaining total top heat loss, is achieved by exposing more anode stubs to the air and enhancing the radiative heat transfer. The second one is to verify the influence of the draft reduction on the heat stress in potroom and limited influence is observed in the simulations. Finally, the pot tightness is enhanced by reducing pot openings in order to constrain the level of fugitive emissions under reduced pot draft condition. The results have revealed that 50% reduction in the normal draft level is technically realisable and that the temperature of pot exhaust gas can be increased by 50-60 ˚C.

La présente étude porte sur l'optimisation de systèmes thermiques servant soit à récupérer de la chaleur ou à produire de la chaleur ou du froid. Essentiellement, le travail portera sur les condenseurs de type tubes et calandre, sur les réseaux d'échangeurs de chaleur ainsi que sur les systèmes de production d'eau froide. L'objectif ultime est de développer une méthode permettant de déterminer le design minimisant les coûts reliés à l'achat et à l'opération de ces systèmes thermiques. Pour atteindre cet objectif, on doit d'abord créer un modèle mathématique permettant de calculer les surfaces d'échanges requises et les puissances de pompage requises pour faire fonctionner un échangeur de chaleur. Basé sur des relations analytiques et empiriques, le modèle doit tenir compte des variables design considérées dans le problème, soit une dizaine de paramètres géométriques et le régime d'opération. Il s'agit d'identifier les valeurs à accorder à chacune de ces variables de design afin de faire le meilleur compromis entre la minimisation des surfaces d'échange de chaleur requises et la quantité d'énergie requise pour faire fonctionner les systèmes. Autrement dit, on cherche à minimiser le coût total, constitué du coût d'achat du matériel et des coûts d'opération. Une fois cette démarche réalisée pour le condenseur à tubes et calandre, on applique une méthode similaire pour optimiser une série d'échangeurs de chaleur dans le cas des réseaux d'échangeurs de chaleur et finalement pour un cycle de réfrigération composé de deux échangeurs, un condenseur et un évaporateur, ainsi qu'un compresseur. Étant donné le nombre important de variables de design considéré pour chacun de ces problèmes, le nombre total de design possible est trop élevé pour calculer le coût de chacun d'entre eux et choisir le meilleur. Cela serait trop coûteux en temps de calcul. C'est pourquoi nous ferons appel à l'utilisation d'algorithmes génétiques. Ces derniers nous permettront d'identifier avec une excellente probabilité le design optimal et ce, dans un laps de temps acceptable en pratique. La méthode est finalement validée grâce à des exemples d'application.

Cette étude traite de l'optimisation d'un échangeur de chaleur constitué d'une juxtaposition de différentes couches de matériaux poreux. Grâce à un réseau interne de pores, un fluide refroidissant est libre de circuler à travers l'échangeur par convection naturelle. La problématique consiste à déterminer la distribution optimale de porosité et l'ordonnancement idéal des matériaux de la série de couches qui minimisent la température maximale dans le refroidisseur. Au cours de cette analyse, la chaleur transmise au système émane d'une plaque chaude adjacente au stratifié. Le flux thermique est donc fixe sur cette frontière. Le champ de température et l'écoulement, déterminés selon les caractéristiques physiques et dimensionnelles du stratifié, sont calculés de manière numérique. Les équations de conservation de quantité de mouvement et d'énergie sont résolues par une méthode basée sur les volumes finis. Le processus d'optimisation se rattachant à la distribution de porosité et à l'assignation des matériaux dans le stratifié est réalisé à l'aide d'un algorithme génétique (AG). De plus, une composition optimale du système, correspondant à un minimum global, peut être atteinte sous certaines contraintes, s'exprimant notamment en matière de coût et de masse. Cette approche permet également de dimensionner l'échangeur, car l'AG a la capacité d'éliminer une portion du stratifié afin de répondre aux exigences demandées. / In order to meet modem engineering needs in terms of cooling Systems (e.g., cooling of electronics), porous structures (e.g. metallic foams) are regarded as an interesting alternative to fins due to their large surface of heat transfer per volume. In this paper, we investigate the optimal configuration of a porous medium structure in order to reduce its thermal resistance. The System studied represents a stacking of porous layers, in which a cooling fluid circulates, adjacent to a heat-generating surface. The flow within the staking is driven by natural convection. The objective of this work is to minimize the hot spot temperature of the system. The design variables are the porosities and materials of each layer. The thermal performance is evaluated with a CFD code based on the finite volume approach. The hot spot temperature minimization is pursued under global mass and cost constraints, with a genetic algorithm (GA). The GA determines the optimal porosities and solid material of each layer. Purthermore, the optimal total length of the stacking is indirectly determined by the GA as layers can be added or removed in order to improve the global performance and satisfy the constraints. The results of the present study reveal that an appropriate distribution of porosity and material benefits the minimization of the temperature in a layered porous medium.

Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L'étude concerne l'analyse de l'encrassement dans un canal plan représentatif d'un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L'objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l'utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l'encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d'encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L'étude de la cinétique de l'encrassement permet de déterminer la loi de variation de l'épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L'apport du milieu poreux sur les performances de l'échangeur est analysé

Le développement dans la dernière décennie des systèmes photovoltaïques concentrés a augmenté le besoin de gérer le budget thermique dans le récepteur pour empêcher sa surchauffe et gérer les pertes de performances liées à la température. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du développement d’un système solaire fortement concentré en collaboration avec des partenaires industriels. Notre partenaire industriel a mis au point une solution de production d’énergie photovoltaïque de haute concentration à l’échelle commerciale, mais il reste à valider la conception du système adopté. Le projet concerne l'étude du récepteur photovoltaïque qui est composé d’un réseau dense de 800 cellules solaires triple jonctions, montées sur un substrat. Ce dernier est composé d’un empilement de couches et un échangeur de chaleur pour refroidir le récepteur. Puisque notre récepteur absorbera un grand flux de chaleur, il y aura des contraintes dues à la non-concordance des coefficients de dilatation thermique entre ses différentes couches. Ces déformations pourraient provoquer la rupture de contact entre les cellules solaires, et ainsi la défaillance électrique du récepteur. Pour cela, ces travaux de recherche ont porté sur une étude thermomécanique du récepteur. En effet, l’étude de la dilatation de l'assemblage multicouche a permis d’acquérir une connaissance d’analyse thermomécanique de la tenue de la structure multicouche vis-à-vis d’un chargement thermique. Puis, le comportement des époxys, conducteur et isolant électrique utilisés pour fixer les cellules sur le substrat, a été étudié en fonction de plusieurs paramètres géométriques et des propriétés matérielles. La différence des coefficients d’expansion thermiques (CTE) des époxys, était le paramètre clé pour varier les contraintes dans les interconnexions. Conséquemment, on a utilisé deux époxys avec deux CTE proches pour diminuer les contraintes induites dans les deux époxys. De plus, vu que la structure se compose des couches usinées, on a créé des abaques de variation de rigidité effective en fonction des facteurs de formes dimensionnels des couches usinées. Enfin, le travail a permis de mettre en place des essais expérimentaux pour s’assurer du fonctionnement du récepteur à haute température. Par conséquent, on a validé l’utilisation de l’époxy dans la conception adoptée vu que la déformation maximale supportée par ce dernier ([epsilon Minuscule][indice inférieur m ax]=0.167 %) est supérieure à la déformation maximale qu’il peut avoir au cours de l'opération ([epsilon Minuscule][indice inférieur époxy]=0.0048%). Ensuite, les exigences de récepteur en termes de fonctionnement à haute température ont été fixées, comme l’écart maximal que l’époxy peut supporter pour la liaison des cellules entre deux unités du récepteur qui est [delta Majuscule]Gap[indice inférieur limite] [epsilon Minuscule] [[Plus ou moins]46 [mu Minuscule]m, [Plus ou moins]53 [mu Minuscule]m].

Le présent projet a porté sur la simulation de récupération de chaleur pour le traitement thermique de l'air de ventilation d'un aréna. La chaleur récupérée provenait des rejets thermiques des condenseurs du système de réfrigération de la patinoire. Deux configurations ont été testées : la récupération directe et la récupération à l'aide d'un échangeur de chaleur. La récupération directe apportait des économies de 24 % de demande en chauffage au cours de l'année. Un échangeur de chaleur dimensionné pour répondre aux pointes de débit de ventilation occasionné par les opérations de surfaçage permettait une diminution de 61 % de la demande en chauffage. En utilisant un échangeur de chaleur dimensionné pour les périodes de fonctionnement normal seulement, la demande diminuait de 52 %, malgré un échangeur trois fois plus petit. Cet échangeur ayant le meilleur rapport économies/dimension, il a été utilisé pour évaluer l'impact environnemental et économique de la récupération de chaleur. L'analyse environnementale révèle que les impacts sur les changements climatiques et l'extraction de ressources sont grandement réduits, et que l'impact sur la santé humaine et les écosystèmes est légèrement diminué. De plus, il est évident que la phase d'utilisation est la principale source d'impact, et que celui-ci est fortement affecté par la source d'énergie utilisée pour le chauffage et la production d'électricité. Finalement, l'analyse économique prédit un taux de rendement de 19 % à 27 % pour l'investissement initial, selon les coûts d'énergie.

Le contrôle de santé des structures par méthodes vibratoires se heurte à l'influence prédominante des effets thermiques et suscite le besoin de méthodes d'assimilation thermique en temps réel pour éliminer ces effets. On propose des algorithmes qui permettent de reconstituer, à un instant donné, le champ de température dans une structure tridimensionnelle à partir de mesures ponctuelles enregistrées sur un intervalle de temps précédant cet instant. La démarche adoptée est celle de la méthode adjointe tirée de la théorie du contrôle optimal : on résout un problème de minimisation au sens des moindres carrés d'une fonction de coût mesurant l'écart entre les données et le champ de température reconstruit. La minimisation dans un espace de type H1 lève la difficulté habituelle de la méthode adjointe à la fin de la fenêtre d'observation, ce qui permet la reconstruction précise de la température à l'instant courant. La définition des valeurs ponctuelles du champ de température impose le choix d'espaces de contrôle de régularité importante. Pour pouvoir utiliser des méthodes usuelles de discrétisation malgré un second membre formé de masses de Dirac, l'état adjoint est défini par des techniques spécifiques fondées sur la transposition. Le formalisme dual adopté conduit à poser le problème dans un espace essentiellement unidimensionnel. En réduisant la quantité de calculs en ligne, au prix d'une série de précalculs, il donne lieu à des algorithmes d'assimilation en temps réel applicables à des structures tridimensionnelles de géométrie complexe. La robustesse des méthodes par rapport aux erreurs de modélisation et au bruit de mesure est évaluée numériquement et validée expérimentalement.

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Ce mémoire présente une synthèse des travaux dont l'objectif est de résoudre la problématique de la gestion de l'eau dans un système Pile à Combustible de type PEM en utilisant un humidificateur externe. Une analyse des différents organes de la ligne d'air du système, et plus spécifiquement de l'humidificateur membranaire, est réalisée afin d'en déterminer l'architecture la mieux adaptée aux conditions opératoires. Cette étude passe par la description et la compréhension des transferts de matière et de chaleur au sein de l'humidificateur, à travers des approches aussi bien numériques qu'expérimentales. Le volet numérique comporte un modèle fin de transferts couplés à travers une membrane en Nafion. Associé à une analyse thermodynamique du système d'humidification, il permet de définir deux paramètres caractérisant respectivement les échanges de matière et de chaleur aussi bien en fonction des conditions d'entrée des fluides qu'en fonction des caractéristiques géométriques de l'échangeur. Ces paramètres s'avèrent être des outils de dimensionnement intéressants. Le volet expérimental permet d'évaluer les interactions entre une pile à combustible, l'humidificateur membranaire et les autres organes de la ligne d'air. Outre l'analyse de la réponse de chaque composant à une variation du courant délivré par la pile, les investigations ont permis de vérifier que les conditions opératoires du système sont compatibles avec la technologie d'humidification choisie. / This report presents a synthesis of works carried out in order to solve the water management problematic in a PEM fuel cell system. An analysis of the different components of the system air line, and more specifically the membrane humidifier, is realized in order to determine the architecture allowing the optimal moisture content of air upstream the fuel cell whatever the operating conditions. This study involves the description and the understanding of coupled heat and mass transfers within the humidifier, through numerical and experimental approaches. The numerical section contains a model of coupled transfer through a Nafion membrane. Associated with a thermodynamic analysis of the humidifier, it allows to define two parameters characterizing respectively the mass exchanges and the heat transfers, according to the inlet conditions of the fluids or as well as to the exchanger geometry. These parameters turn out to be useful design tools. The experimental section allows to estimate the interactions between a fuel cell, the humidifier and the other air line components. Besides the analysis of components response to a current intensity variation, the investigations allowed to demonstrate that the operating conditions of the system is compatible with the chosen humidification technology.