本发明涉及质子交换膜燃料电池电堆反应状态在线检测系统及其应用，检测系统包括测量模块、运动控制模块、斜Y型三通管接头以及信号接收模块，测量模块包括测量探针以及与之相连的传感器组件和微型摄像头，运动控制模块包含夹持机构和驱动装置，斜Y型三通管接头连接在电池电堆的电堆端板的进口及出口上，测量探针通过Y型三通管接头插入电堆端板，信号接收模块与所述传感器组件信号连接。与现有技术相比，本发明可以实现燃料电池工作状态的在线检测，在实际应用中，可以根据该系统诊断结果实时调整电池运行策略，提高燃料电池效率和寿命。