本发明公开了一种燃料电池系统多模式双层故障诊断方法，涉及氢储能电池技术领域，包括采集的燃料电池系统运行数据，其包含温度、电压、电流、流量和湿度，之后对运行数据进行筛选和预处理，基于不同工作状态下，通过多元高斯分布故障检测算法对故障进行初步检测，筛选出故障运行时的数据，利用典型故障运行数据训练支持向量机故障诊断算法。之后通过改进的协方差公式提取有效故障数据，再利用训练好的支持向量机算法对故障运行时的有效故障数据进行故障分类，其类型分为低压故障、高压故障、膜干故障和低空气过量系数故障，最后利用交叉验证方法验证模型检测的准确率。本发明能及时、准确对燃料电池系统进行定位与诊断。