质子交换膜燃料电池堆在清洁能源领域具有广阔的应用前景，大力发展新能源汽车也是我国汽车行业的发展趋势，氢燃料汽车也是新能源汽车的必然选择。
与此同时，为使氢燃料汽车商业化，必须解决的重要问题包括降低成本和提高功率密度。燃料电池的催化剂层是电化学反应发生的地方，它的性能提高和优化可能是这些问题的一个解决方案。
阴极氧气的运输极大地影响燃料电池的性能，分析膜电极中反应物气体传输时需要考虑气体传输过程中的两种扩散介质：气体扩散层(GDL)和催化剂层。
GDL通常由微孔层（MPL）和基质两层组成，这两层具有不同的孔径分布。基质层孔半径为5~20μm，MPL孔径比较小，半径为0.01~0.06μm。催化剂层孔径和MPL孔径相似，半径小于0.1μm。在多孔介质中反应气体的输运方式包括扩散和对流。孔内主要扩散过程是分子扩散和克努森扩散。
尤其，在较小孔径中，反应物分子与孔壁之间的相互作用比分子碰撞更为重要。主要扩散方式的转变是由气体压力、孔隙大小和气体分子的大小决定的，从孔径分布和燃料电池的运行条件来看，基质中主要的扩散过程是分子扩散。在催化剂层和MPL中，由于孔径较小，气体分子与孔壁的相互作用影响比较大。
所以，在催化剂层和MPL中同时发生了分子扩散和克努森扩散，由此可知催化剂层和MPL具有相似的气体输运特性。
催化剂层由两种材料组成:碳载铂和离聚物。由于催化剂层的不规则结构，部分铂粒子被离聚物覆盖，部分铂粒子被液态水覆盖。因此，反应物气体需要通过多种输运途径，包括穿过催化剂层的孔隙、离聚物和液态水。如上所述，在催化剂层中同时发生分子扩散和克努森扩散。
经查阅 献，反应物气体在催化剂层的传质损失采用极限电流原位分析法测量，克努森扩散阻力和通过离聚物和液态水的输运阻力，被用作表征反应物气体在催化剂层中扩散率的特征参数。该测试分析技术研究了催化剂层面的传质损失，还可以应用于 I/C配比与催化剂层中反应物气体扩散率相关性的研究。
在四种压力条件和五种反应气体浓度条件下进行了测量，来分析反应气体在催化剂层中的输运情况。通过对氧还原反应(ORR)极限电流条件的评价，详细分析反应物气体在催化剂层的传输阻力，具体测试需求如下：
在0.2V恒定电池电压模式下测量氧化还原反应极限电流，阴极为稀释的空气，阳极为纯氢气。为消除测试过程中反应气体浓度分布影响，阴阳极气体均采用大气量，同时要保持阴阳极较高的进气湿度，一般为70%-90%RH。
图1 ORR限制电流密度与反应物气体分压
图2 总氧输运阻力作为总压强的函数
如上图1所示：极限电流密度和反应物气体分压成正比，总气体传输阻力由斜率（b）的倒数计算可得到。由此可以得到总气体传输阻力和压力的函数关系，如图2，总传输阻力和总气体压力成正比关系。斜率为GDL中的分子扩散率，另一传输阻力，包括克怒森扩散阻力和进入聚合物的传输阻力，由斜率和外推截距计算得到，如图3，总气体运输阻力总气体输运阻力可表示为：
因此，通过原位极限电流法分析反应物气体在催化剂层的传质损失，可以进一步分析I/C配比与反应物气体扩散速率的关系，进行I/C配比的优化，提高燃料电池额定功率，降低阴极计量比，进而提高燃料电池性能，降低生产成本。
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