随着如今世界人口不断增多、传统三大能源渐渐无法满足社会需求的当下,能源的开发与研究已经成为了许多国家密切关注的课题。燃料电池因其自身不受卡诺循环的约束,能量转化率较高等特点,成为了现今国内外高效、洁净的发电技术的不二选择。而其中,质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）因为其无电解液流失、液态水方便排出、使用寿命长、功率密度高、比能量高、低温快速启动等特点而广泛应用于航天、交通、储能等诸多领域里。在质子交换膜燃料电池研究工作中,搭建一个能够准确反映燃料电池工作状态的数学模型并进行仿真分析和精准控制是至关重要的。为推动质子交换膜燃料电池研究和提高燃料电池的性能与效率,本文针对质子交换膜燃料电池系统,完成了以下研究内容:首先,基于MATLAB/Simulink建立了质子交换膜燃料电池系统模型,包括质子交换膜燃料电池电堆模型、空气供给系统模型、氢气供给系统模型和交换膜水化模型。本文基于Simulink和Cruise-M对质子交换膜燃料电池输出电压模型进行了仿真对比,分析了不同变量对PEMFC输出电压的影响。之后,分析了不同负载电流和空压机电压下阴极压力的变化和过氧比的响应特性以及不同负载电流和氢气进气阀质量流量下阳极压力的变化和氢气循环比的响应特性。然后,基于质子交换膜燃料电池系统模型,以负载电流作为外部扰动,设计了以过氧比为控制目标的空气供给系统滑模控制器,并提出了一种以氢气循环泵电压为控制参数、以氢气循环比为控制目标的氢气供给系统滑模控制器。同时设计了过氧比和氢气循环比的相应观测器以保证计算的准确性。通过仿真结果表明,两个基于状态观测器的滑模控制器均有良好的动态响应,验证了两个控制器的准确性。之后,基于过氧比优化控制的空气供给系统和基于氢气循环比优化控制的氢气供给系统的两个滑模控制器,以负载电流作为外部扰动,以阴、阳极压力偏差为控制目标搭建了燃料电池联合仿真系统并设计了相应的串级滑模控制器。通过仿真结果,阴极压力与阳极压力的曲线基本重合,验证了该控制器的准确性。最后,基于上文的燃料电池联合仿真系统对燃料电池输出功率的最大值进行了分析和研究。结果表明,在负载电流变化的条件下,气体压强对燃料电池输出功率的影响较小。在最佳过氧比、稳定的氢气循环比且阴、阳极气体压力相等的条件下,本文设计的质子交换膜燃料电池系统的最大输出功率为30405W。