随着近年来全球能源危机与环境污染不断加剧,质子交换膜燃料电池（PEMFC）正在得到越来越多的关注与研究,被认为是车用新能源的终极形态。但受限于燃料电池系统的经济性与耐久性,PEMFC尚无法实现大规模商业化。因此想要大规模应用PEMFC,从而改变我国乃至世界能源结构,就必须着力于提升燃料电池系统的寿命与耐久性。PEMFC电堆自身反应机理复杂,加之系统传感器、执行器众多,导致系统出现故障几率较大。若无法及时发现系统或电堆故障,轻则导致系统反应效率下降,重则导致电堆出现不可逆的性能损伤,甚至导致严重的安全问题。研究表明,除了 PEMFC电堆自身之外,燃料电池温度系统与水管理系统的失效也是导致电堆故障的主要原因,因此PEMFC水热管理子系统的相关研究是燃料系统研究中的重点与难点。目前,提升燃料电池耐久性有多种方法,其一是从燃料电池电堆自身关键材料与部件角度提升,通过开发新型质子交换膜与催化剂、研发新型电堆三维结构等提升电堆自身性能;除此之外,还应通过上层优化控制以及健康管理等方法提升系统的可靠性与耐久性。PEMFC健康管理主要包含故障诊断与容错控制,依据故障诊断方式的不同,可以大致将健康管理分为基于模型方法与基于数据信号方法两大类。基于模型方法一般具有较高鲁棒性与较好的故障可解释性,但需要建立较为复杂的模型;基于数据信号方法相较之下实施难度较低,但可迁移性较差。本文将从燃料电池系统反应关键过程与核心部件出发,结合实际PEMFC系统与两类健康管理方法各自特点,分别对燃料电池温度系统、水管理系统以及燃料电池电堆进行深入的健康管理研究。本文的主要工作与贡献概述如下:1.完成了 PEMFC系统的关键部件与核心过程建模工作。针对PEMFC系统温度模型、水传输模型与电堆电压模型进行了详细的介绍与推导。此外,还针对燃料电池系统中核心部件,如水泵、散热器、加湿器等零部件建立出符合系统特性的半经验模型,很大程度上提升了模型的可靠性与准确性,从而为后续基于模型的故障诊断与容错控制提供基础。2.提出了一种基于模型的燃料电池温度容错控制方法。首先,基于提出的PEMFC温度模型,采用结构分析法与Dulmage-Mendelsohn（DM）分解分析传感器故障是否可检测与可分离。在证明所述故障可检测可分离后,设计了基于余差的传感器故障检测算法。在此基础上,设计了基于滑模的主动容错控制器。进一步考虑到滑模控制器会在稳态对执行器产生较大震荡作用,采用了平滑切换函数,并证明了闭环系统的稳定性。最后,依托已有实验平台,对所提出的故障诊断算法与主动容错控制器的性能进行了在线验证,所提出算法不仅在无故障状态下拥有较高的控制精度,且能在传感器故障下维持±0.5℃的电堆温度控制精度,大幅提升温控系统可靠性。3.提出了一种基于模型的燃料电池水淹容错控制方法。首先,将燃料电池水传输模型等效为四个传输子过程,并建立了燃料电池内部水饱和度指标,通过电化学阻抗谱（EIS）证明了所设计指标对于水淹状态的准确反应。在此基础上,设计了基于主动容错控制框架的容错控制算法,利用了分段线性化与线性规划等方法,并结合滑模控制器,达到了水饱和度指标针对设定值的准确跟踪,误差小于1%。最后,对所提出的故障指标与主动容错控制算法的性能在实际PEMFC系统上进行在线实验,实验结果表明,在未开启容错控制下,燃料电池在大于90A电流的状况下容易产生水淹状态;而在开启容错控制之后,所述控制器能消除水淹状态,并维持电堆健康状态,大幅提升PEMFC水管理系统耐久性与鲁棒性。4.提出了一种基于快速EIS与DRT分析的燃料电池健康管理技术。首先,为了检测燃料电池性能,设计了基于电压的燃料电池状态监测算法,通过对比健康状态电压与实时电压输出判断电堆是否出现故障,平均状态监测误差0.38%。当余差超过阈值,则启动快速EIS测量,后利用弛豫时间分布技术（DRT）分析快速电化学阻抗谱,进行故障诊断。在此基础上,通过改变系统控制策略达到系统性能恢复。最后,对所提出的多故障诊断算法与容错控制策略进行了实验验证。结果表明,所设计的故障诊断方法能将EIS测量时间由数十分钟缩短至约15秒,快速EIS最大相对误差不超过1.5%,并具有极高诊断率。所述健康管理方法首次将DRT分析技术运用于快速EIS阻抗谱之上,并且针对水淹、膜干以及空气饥饿等3类典型故障进行了在线性能恢复,为EIS技术运用于在线过程提供了可行思路。