车用质子交换膜燃料电池的应用和推广对改善交通能源结构和治理空气污染有重大意义。我国车用燃料电池技术经过十多年的发展,与国际先进水平之间的差距正在逐步缩小,但围绕质子交换膜燃料电池性能、成本和寿命的研究仍然任重而道远。水管理问题是影响质子交换膜燃料电池性能和寿命的关键问题。不良的水管理容易造成燃料电池出现“膜干”和“水淹”两类非正常工作状态。同时水管理问题也是一个包含流动、传热传质和电化学反应等多个物理化学过程的复杂问题。本文以国家自然科学基金“面向高性能、长寿命和低成本车用燃料电池动力系统建模与控制研究”等项目为依托,对燃料电池一维水传递机理建模、增湿参数优化、车用燃料电池水传递动态模型和基于模型的状态估计问题进行了系统地阐述和分析。首先,本文对燃料电池单体在质子传导方向上的一维水传递过程进行了建模,整合了一维方向上各个位置多个状态水传递过程的数学模型。本文提出了气体扩散层两相水一维稳态分布的三种模式并用数学解析的方法得到了三种模式两相水一维稳态分布的解析解,结合质子交换膜膜内净水传递流量的迭代计算方法可以实现燃料电池单片内部多状态水一维稳态分布的快速求解。其次,在多状态水一维稳态分布的基础上,研究了不同位置不同状态的水对燃料电池输出电压的综合影响,定义了阳极多余增湿和增湿优化路径,提出了可以用于指导进气增湿参数优化的增湿参数优化MAP图。再者,基于水传递研究的成果,建立了用于描述车用大面积燃料电池单片水传递动态特性的阴极进出口两腔模型,引入了阴极进出口电流密度差异的概念。最后,基于阴极两腔动态模型的状态空间描述,提出了以阴极液态水饱和度和进出口电流密度差异作为目标观测量的状态估计问题,并分别设计了基于龙贝格观测器和基于无迹卡尔曼滤波器的状态估计算法,解决了水淹工况下,车用燃料电池电堆内部液态水存储量的在线估计问题。本文以一维水传递机理过程研究为基础,最终解决了实际车用电堆水淹工况的在线诊断问题,对车用质子交换膜燃料电池的设计和优化控制具有重要的指导意义。