为了使质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）系统有序的工作,稳定的输出并发挥良好的性能,本文针对其工作特性、温度管理方案和控制方法展开了研究。首先,从物质流和信号流两方面建立了完整的5k W循环水冷却PEMFC系统实验平台,然后从理论分析和实际情况出发,分别计算各子系统的硬件设备参数并进行选型。最后,通过密封性实验以及相关功能实验,证明了实验平台的安全性和实用性。其次,分析了电池反应过程中极化现象的原因,然后基于Matlab/Simulink平台搭建了完整的PEMFC电堆动态仿真模型,采用实验和仿真相结合的方式,验证了模型的可靠性和结果的准确性,并分别研究了稳态下温度、压力和湿度对电池性能的影响,以及非稳态下工况下,电堆输出性能的工作特点。研究结果表明:适当增大电堆的工作温度可以提高电池性能。增大阴极压力能显著提高电池性能,而增大阳极压力对电池性能无影响。增加电堆湿度有助于电池性能的改善,但当膜含水量超过14后,湿度对电池性能无影响。采用阳极100%增湿、阴极50%增湿的方法提高电池性能效果更好。非稳态工况下,鼓风机响应越快,电堆输出电压和功率的瞬态变化延迟越短。再次,搭建了各子系统中关键辅助设备和部件的仿真模型,并以实验和仿真的手段,构建了理论和经验相结合的子系统动态仿真模型,探究了非稳态工况下它们的工作特性。研究结果表明:供气子系统可以体现气体压力和流量的变化,鼓风机压力小幅度变化不会造成电堆瞬态变化响应延迟,纤维膜式增湿器能保证电堆湿度充足和稳定。维持阳极压力稳定并保证阴极和阳极之间的压力差在适宜范围,有助于电堆平稳输出。电堆温度管理子系统可以体现温度变化,增大电流会显著提高电堆升温速率,冷却水流量和风扇占空比综合影响着电堆的温度。最后,针对不同电堆温度管理方案和控制方法对系统性能的影响进行了探究。研究结果表明:电流密度变化时,循环水冷却方案的电堆温度管理设备耗功占比相较于区域空气冷却方案低7%左右。PEMFC系统处于2-8k W范围时,区域空气冷却方案系统效率明显高于循环水冷却方案;8-10k W工况下,两种方案的系统效率接近且仅相差0.2%。创新性构建的粒子群算法优化模糊PID控制器（Particle Swarm Optimization Fuzzy PID Controller,PSO-FPID）相比于传统控制器,在电堆温度的控制上响应更快,超调量更小,鲁棒性更好。