La pile à combustible à membrane polymère (PEMFC) est une technologie prometteuse pour la micro-cogénération et pourrait voir son marché se développer au moment de la libéralisation du marché européen de l'énergie, portée par des incitations fiscales grâce à sa relative vertu environnementale. Cette thèse vise à étudier le comportement et la conception d'une PEMFC alimentée par un mélange riche en hydrogène obtenu par reformage de gaz naturel, en situation réelle dans un bâtiment, exploitée en cogénération d'électricité et de chaleur. L'étude et l'optimisation de ce système sont menées en s'appuyant sur le fonctionnement d'un prototype réel, le RCU-4500 (4 kW électriques, 6 kW thermiques), expérimenté dans le cadre d'un projet de recherche national. En premier lieu, l'analyse approfondie du fonctionnement du prototype installé permet de comprendre qualitativement et quantitativement un exemple de ce type de système, en le situant dans son contexte technologique. Des mesures de consommation, de puissance électrique produite et de puissance thermique valorisée sont effectuées et une analyse du contrôle-commande est dressée. Une modélisation en régime permanent est développée et validée grâce aux nombreuses données expérimentales fournies par le projet. En second lieu, l'utilisation prédictive du modèle permet de proposer trois variantes de systèmes virtuels avec une nouvelle architecture et stratégie de gestion. Cela est fait en optimisant le rendement électrique puis la valorisation de la chaleur et la récupération de l'eau pour avoir un dispositif globalement autosuffisant en eau. Ces variantes s'appuient aussi sur des améliorations réelles de fonctionnement, réalisées avec succès lors d'essais sur l'une des cinq unités du projet. L'appréhension du procédé dans son ensemble, en tenant compte des interactions entre les différents sous-systèmes, est une nouveauté par rapport aux autres travaux publiés sur ce type de système.