随着科技的发展与全球化石能源的日益枯竭,新能源技术的发展越来越受到人们的重视,其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)因具有能量密度高、启动速度快、工作噪音低、尾气零排放等诸多优点,在分布式电源、交通运输、航天航空等领域得到了广泛的应用。然而由于PEMFC高额的生产成本以及较短的工作寿命,极大的制约了PEMFC的商业化进程,因此为了提升PEMFC的工作寿命,保证PEMFC系统高效、安全、稳定、长久的运行,对PEMFC运行状态以及故障诊断的研究具有重要意义。本文首先介绍了质子交换膜燃料电池的结构、原理、水迁移机制以及自增湿空冷型PEMFC所具有的特点,并搭建了基于Matlab/Simulink的质子交换膜燃料电池仿真模型,主要根据自增湿空冷型PEMFC的特点,结合PEMFC常见的半经验半机理模型以及传质传热理论知识,完善了PEMFC的热力学模型,实现了在不同风扇功率下模拟出PEMFC不同的工作温度响应。并且通过实验验证了该模型在稳态电压输出响应、温度响应以及动态电压输出响应等方面都具有较好的仿真能力。其次针对由新加坡淡马锡理工清洁能源中心与都乐动力公司共同开发研制的自增湿空冷型PEMFC,进行了电压特性、温度特性、稳定性以及电压均衡性的实验研究,着重分析了电堆稳态运行时负载和风扇功率对电压均衡性的影响,实验结果表明电堆的电压均衡性会随着负载的增加而不断变差,内阻分布不均与表面温度分布不均是造成该现象的主要原因,而风扇功率的影响主要取决于风扇提供的散热能力是否能够达到电堆的散热需求。最后基于本文所采用的自增湿空冷型PEMFC的特点,设计了两种常见水故障的模拟实验,首先分析了各实验数据对故障的反应灵敏度,根据数据的变化特点和灵敏性选取了合适的特征值。其次分析了负载电流变化和风扇功率变化对水淹程度及水淹恶化速度的影响。最后根据水淹实验与高温实验总结了故障时特征值的变化规律,在此基础上设计了一种适用于自增湿空冷型PEMFC的故障诊断方法。