为解决日益增长的能源需求与环境污染、全球变暖、资源匮乏之间的矛盾,研究人员逐渐将目光转向可再生清洁能源尤其是氢能的开发与利用。质子交换膜燃料电池是一种在常温下不通过燃烧即可将氢能转化为电能且无污染物生成的装置,相比传统储能与发电装置具有更高的能量转换效率与能量密度。由于燃料电池具有强烈非线性与多状态量的强耦合性,在负载大范围波动时输出变化较为缓慢,燃料电池系统的运行控制与优化已成为现阶段新能源技术领域的研究热点之一。本文针对大功率水冷燃料电池多目标多参数快速反应的控制要求,提出了具有较快调节速度的系统运行控制策略。本文首先采取机理与经验建模相结合的方式,在一维方向上建立了燃料电池系统的等温两相模型及辅助系统模型。该模型可模拟氢气、氮气、氧气、水蒸气等混合气体在阴极、阳极及管路中的传输、反应、循环过程,水蒸气的跨膜渗透和相变过程与电堆静态、动态性能。其次基于上述模型,本文分别提出了基于卡尔曼滤波器的线性最优控制与基于线性拓展观测器的二阶滑模超螺旋非线性控制两种控制算法,通过Matlab/Simulink仿真验证了两种算法各具优越性,并与传统PID控制相比调节时间缩短约30%。最后本文以STM32为核心设计了燃料电池系统运行控制器,在实验平台上进行了起堆、停堆与正常工作流程,证明该控制器能较好达成系统控制目标并保持电堆平稳高效运行,具有一定实用意义。