故障诊断系统是质子交换膜燃料电池安全可靠运行的保障。为开发质子交换膜燃料电池故障诊断系统，本文开展了相关基础研究和软硬件技术研究。本文分析了国内外已有燃料电池水管理的理论、机理、影响因素和诊断方法，讨论了燃料电池寿命的定义、估计方法以及燃料电池故障诊断系统的功能目标等。燃料电池水淹预警技术的研究：通过检测实际阳极气体压力降是否高于理论计算值以判定发生水淹趋势，但是不知道水淹的判断界限。针对这一问题，开展了燃料电池水淹实验。发现燃料电池在水淹发生过程中阳极气体压力降呈现“阶跃平台”式变化特征，正常状态时其实际压力降与理论计算值吻合，处于阶跃平台时水淹状态再继续下去则会导致燃料电池性能急剧下降。据此特征可以将燃料电池的水淹发生过程分为无水期、湿润期、过渡期和水淹期四个时期。实验得知，电流和温度对阶跃平台压力降值的相对升幅影响不大，而气体压力和氢气过量系数可显著影响该压力降升幅；在湿润期调节反应温度或空气增湿湿度可以使燃料电池的水淹趋势得到缓解，但当燃料电池陷入水淹期后即使采用脉冲排气也难以缓解。本研究中得到阶跃平台所对应的实际压力降相比无水淹时的压力降上升了20%，由此为实现水管理的闭环控制提供了调控窗口。面向应用的故障诊断系统开发：设计了传感器信号警戒和基于神经网络的传感器故障诊断方法，对部件失效实现了监控。在软件系统中，开发了燃料电池剩余寿命估计方法，从燃料电池已用历程中统计工况频谱及各工况下的性能衰减率，从近期使用工况和性能衰减情况确定环境条件的动态影响因子，从而通过寿命公式计算出燃料电池剩余寿命。开发了包含传感器检测、多通道电压巡检、剩余寿命估计等功能的嵌入式燃料电池故障诊断系统，通过在自主开发的燃料电池测试平台上的实验，对所开发的故障诊断系统进行了功能验证，实现了水故障预警和自愈。此故障诊断系统可以方便地应用于燃料电池各种运行场合。