Le travail réalisé dans cette thèse concerne la synthèse de nouvelles structures macromoléculaires aromatiques et hétérocycliques. La synthèse de ces polymères a été envisagée par des procédés de polycondensation non conventionnels. A la différence des réactions classiques utilisées en polycondensation, des réactions de condensation « multi-composants » faisant intervenir trois ou quatre fonctions réactives ont été considérées. Les réactions de Debus-Radziszewski, Hantzsch, et Chichibabin, permettant la formation directe de structures aromatiques et ou hétérocycliques ont été plus particulièrement choisies. Ces polymérisations ont été réalisées à la fois par voie thermique classique et sous irradiation micro-ondes. Trois types de familles de polymères ont été synthétisés avec succès (PIM/PTAI, PPP, P-CNTP). Les résultats obtenus montrent que l’irradiation micro-ondes est bénéfique pour la synthèse de certaines structures, mais cet effet n’est pas systématique. En revanche, la technique d’irradiation sous micro-ondes s’impose comme outil très performant pour le développement de nouvelles structures macromoléculaires de par la réduction significative des temps de polymérisation. L’ensemble de ce travail souligne l’intérêt de la polycondensation par réaction multi-composant et ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de nouveaux matériaux polymères aromatiques / hétérocycliques. / In this thesis, the synthesis of new aromatic and heterocyclic macromolecular structures is reported. These polymers have been synthetized by unconventional polycondensation processes. Unlike classic reactions used in polycondensation, "multicomponent" condensation involving three or four reactive functions were here described. More particularly, the reactions of Debus-Radziszewski, Hantzsch, and Chichibabin, allowing the direct formation of aromatic and heterocyclic structures have been chosen. These polymerizations were carried out both by conventional thermal method and under microwave irradiation. Three types of polymer families have been synthesized successfully (PIM / PTAI, PPP, P-CNTP). The results show that microwave irradiation is beneficial for the synthesis of some structures, but this effect is not systematic. On the other hand, microwave irradiation is a powerful tool to develop new macromolecular structures by significantly reducing the time of polymerization. This work underlines the interest of polycondensation by multicomponent reaction and opens perspectives for the development of new aromatic / heterocyclic polymeric materials.

La pile à combustible comme moyen de production d'énergie propre et durable participera à la protection de l'écosystème en permettant à la filière hydrogène d'offrir une alternative aux énergies fossiles avant leur total épuisement. Cependant une baisse des coûts et une plus grande durabilité sont indispensables pour ces systèmes et notamment le cœur de pile, constitué d'un assemblage membrane-électrodes (AME). Cette étude a été menée sur une membrane alternative poly-aromatique sulfonée : le PolyEtherEtherCétone sulfoné, ou sPEEK. Cette membrane, qui n'offre qu'une stabilité chimique médiocre, a l'avantage d'offrir une bien meilleure tenue thermomécanique que la membrane de référence Nafion®. Le but de cette étude fut donc d'évaluer l'influence des conditions de fonctionnement sur les performances de la pile utilisant une membrane sPEEK, dans le but de les améliorer, mais aussi de mieux comprendre l'impact du vieillissement chimique de cette membrane sur ses propriétés physicochimiques et sur ses performances en pile. Ce travail fut réalisé en deux temps. Tout d'abord l'étude du comportement de la membrane sPEEK en pile pour différentes conditions d'utilisation a montré que le transport de l'eau dans l'AME est un point déterminant des performances de la pile. En effet une très forte hétérogénéité de fonctionnement imputable à la mauvaise répartition de l'eau dans la membrane sPEEK a été observé, aboutissant à des performances fortement dégradées par rapport à celles du Nafion®. Le diagnostic in situ de la dégradation de la membrane étant difficile et le système particulièrement complexe, il fut ensuite décidé d'étudier " ex situ " le vieillissement chimique de la membrane (dans des conditions de laboratoire). Les membranes vieillies sous l'action de H2O2 (oxydant responsable du vieillissement chimique des membranes en pile) ont ensuite été caractérisées et enfin testées en pile. Il apparaît que le vieillissement chimique résulte en des coupures des chaînes polymère, qui induisent une augmentation du gonflement de la membrane. Pour de forts vieillissements, ces coupures de chaînes entraînent une perte de la tenue mécanique de la membrane, incompatible avec une utilisation en pile. Cependant, pour des vieillissements contrôlés (très faible degré d'avancement), les modifications chimiques induites permettent un meilleur gonflement de la membrane qui résulte en une augmentation de sa conductivité ainsi qu'un meilleur transport de l'eau en pile, permettant d'obtenir des performances comparables à celles du Nafion®.

Les ionomères aromatiques sont considérés comme une alternative prometteuse à Nafion pour les PEMFCs en raison de leur bonne stabilité à l'oxydation, d'excellentes propriétés thermomécaniques et de faibles coûts, etc. La plupart des ionomères aromatiques sulfonés rapportés au cours des dernières décennies présentent cependant des performances inférieures à celles de Nafion. Avec une capacité d'échange ionique (CEI) similaire, d'une part, les ionomères aromatiques sont beaucoup moins conducteurs que Nafion, notamment à faible humidité relative. Les ionomères aromatiques ayant une CEI suffisante pour donner une conductivité équivalente à celle de Nafion, d'autre part, présentent un comportement excessivement gonflant dans l'eau. Les inconvénients des ionomères aromatiques sulfonés proviennent de (i) la répartition aléatoire de groupes acides sur un squelette de polymère rigide conduisant à une séparation hydrophile-hydrophobe faible, (ii) la proximité de fractions conductrices de protons à la chaîne principale de polymère conduisant à une nanostructure basse de composés ioniques, et (iii) la faible acidité de l'acide arylsulfonique. Dans le but de surmonter ces inconvénients, mon travail de doctorat se concentre sur le développement de nouveaux ionomères aromatiques avec une morphologie et des propriétés améliorées grâce à la conception de l'architecture moléculaire, en combinaison avec une condition optimisée de traitement de la membrane. A base de cet objectif, deux séries d'ionomères aromatiques à base de copoly (arylène éther sulfone) partiellement fluoré portant des chaînes latérales pendantes d'acide perfluorosulfonique (séries InX/Y) ou perfluorosulfonimide (SiX/Y) ont été développées et caractérisées. De plus, les PEM basés sur le mélange Nafion/InX/Y ont également été ciblés. Une grande attention a été portée à l'optimisation de l'état de traitement des membranes et à l'élucidation de la relation structure-morphologie-propriété des matériaux. / Aromatic ionomers are considered as a promising alternative to Nafion for PEMFCs due to their good oxidative stability, excellent thermomechanical properties, and low cost, etc. Most sulfonated aromatic ionomers reported over the past decades, however, show lower performance than that of Nafion. With similar ion-exchange capacity (IEC), on one hand, aromatic ionomers are much less conductive than Nafion, notably at low relative humidity. Aromatic ionomers with sufficient IEC to give equivalent conduction to that of Nafion, on the other hand, exhibit excessively swelling behavior in water. The shortcomings of sulfonated aromatic ionomers derive from (i) the random distribution of acidic groups on rigid polymer backbone leading to poor hydrophilic-hydrophobic separation, (ii) the proximity of proton-conducting moieties to the polymer main chain resulting in low nanostructure of ionic clusters, and (iii) the low acidity of aryl sulfonic acid. With the aim of overcoming these drawbacks, my PhD work focuses on developing new aromatic ionomers with improved morphology and properties via molecular architecture design, in combination with optimized membrane processing condition. Based on this objective, two series of aromatic ionomers based on partially-fluorinated multi-block copoly(arylene ether sulfone)s bearing pendant perfluorosulfonic acid (InX/Y series) or perfluorosulfonimide (SiX/Y series) side chains have been developed and characterized. Moreover, PEMs based on Nafion/InX/Y blend have also been focused. Much attention has been paid to optimizing the membrane processing condition and elucidating the structure-morphology-property relation in these materials.

La pile à combustible comme moyen de production d'énergie propre et durable participera à la protection de l'écosystème en permettant à la filière hydrogène d'offrir une alternative aux énergies fossiles avant leur total épuisement. Cependant une baisse des coûts et une plus grande durabilité sont indispensables pour ces systèmes et notamment le cœur de pile, constitué d'un assemblage membrane-électrodes (AME). Cette étude a été menée sur une membrane alternative poly-aromatique sulfonée : le PolyEtherEtherCétone sulfoné, ou sPEEK. Cette membrane, qui n'offre qu'une stabilité chimique médiocre, a l'avantage d'offrir une bien meilleure tenue thermomécanique que la membrane de référence Nafion®. Le but de cette étude fut donc d'évaluer l'influence des conditions de fonctionnement sur les performances de la pile utilisant une membrane sPEEK, dans le but de les améliorer, mais aussi de mieux comprendre l'impact du vieillissement chimique de cette membrane sur ses propriétés physicochimiques et sur ses performances en pile. Ce travail fut réalisé en deux temps. Tout d'abord l'étude du comportement de la membrane sPEEK en pile pour différentes conditions d'utilisation a montré que le transport de l'eau dans l'AME est un point déterminant des performances de la pile. En effet une très forte hétérogénéité de fonctionnement imputable à la mauvaise répartition de l'eau dans la membrane sPEEK a été observé, aboutissant à des performances fortement dégradées par rapport à celles du Nafion®. Le diagnostic in situ de la dégradation de la membrane étant difficile et le système particulièrement complexe, il fut ensuite décidé d'étudier « ex situ » le vieillissement chimique de la membrane (dans des conditions de laboratoire). Les membranes vieillies sous l'action de H2O2 (oxydant responsable du vieillissement chimique des membranes en pile) ont ensuite été caractérisées et enfin testées en pile. Il apparaît que le vieillissement chimique résulte en des coupures des chaînes polymère, qui induisent une augmentation du gonflement de la membrane. Pour de forts vieillissements, ces coupures de chaînes entraînent une perte de la tenue mécanique de la membrane, incompatible avec une utilisation en pile. Cependant, pour des vieillissements contrôlés (très faible degré d'avancement), les modifications chimiques induites permettent un meilleur gonflement de la membrane qui résulte en une augmentation de sa conductivité ainsi qu'un meilleur transport de l'eau en pile, permettant d'obtenir des performances comparables à celles du Nafion®. / Fuel cells as production system of clean and sustainable energy will help to protect our ecosystem by providing an alternative to fossil fuels before their total exhaustion. However, lower costs and a greater durability are needed for these systems and more particularly the center of the cell, naming the membrane-electrodes assembly (MEA). This study was performed on a sulfonated poly-aromatic membrane: sulfonated polyetheretherketone, or sPEEK. This alternative membrane, which possesses only poor chemical stability, offers a much better thermomechanical behavior than Nafion®, the reference membrane. Aim of this study was first to understand the impact of operating conditions on fuel cell performance, for a sPEEK membrane, in order to improve performance, but also to better understand the impact of the membrane chemical aging onto its physicochemical properties and the resulting fuel cell performance. First the behavior of sPEEK in fuel cell for different operating conditions showed that water transport in the MEA is critical for fuel cell performance. Indeed a very high heterogeneity of operation due to slow water transport in the sPEEK membrane was observed, resulting in a major drop of fuel cell performance compared with what observed using Nafion®. As in situ diagnosis of membrane degradation is difficult and the system particularly complex, it was then decided to study "ex situ" the chemical aging of the membrane (laboratory conditions). Aged membranes under the action of H2O2 (oxidative responsible for the in situ chemical aging of the membranes) were characterized and finally tested in fuel cell. It appears that the chemical aging results in chains scissions, which induce an increase of the membrane swelling. For too much aging, these chains scissions result in the membrane loss of mechanical strength, incompatible with their use in fuel cell. However, for controlled aging (very low degradation), the induced chemical changes allow better swelling of the membrane resulting in an increase of the conductivity and better water transport in the MEA, making it possible to reach, with sPEEK, as good performance as with the use of Nafion®.

Dans le cadre de ces travaux, l’objectif fixé était de développer des polymères aromatiques possédant des propriétés de conduction protonique. Pour y parvenir des motifs de type acide sulfonique ont été introduits le long des chaînes macromoléculaires. La méthodologie de synthèse de ces polymères qui a été choisie, consistait à polymériser des précurseurs contenant dans leur structure un motif perfluoroalkyle sulfoné. Quatre précurseurs originaux ont ainsi été initialement synthétisés. Différents polymères aromatiques ont été préparés à partir de ces précurseurs en faisant varier le taux de séquences perfluoroalkyles sulfonées. Ces polymères ont ensuite été mis en oeuvre sous la forme de membranes denses selon un procédé de coulée évaporation. A partir de ces membranes, des études de gonflement à l’eau et de conductivité ionique ont été réalisées. / As part of this work, the objective was to develop aromatic polymers with proton conduction properties. To achieve this, the sulfonic acid motifs were introduced along the macromolecular chains. The methodology of synthesis of these polymers was to polymerise the precursor containing in their structure a perfluoroalkyl sulfone moieties. Four novel precursors have been initially synthesized. Different aromatic polymers were prepared from these precursors by varying the rate of perfluoroalkyl sulfonated sequences. These polymers were then used in the form of dense membranes obtained by a casting process of evaporation. From these membranes, swelling studies in water and ionic conductivity were carried out.