能源安全和环境保护是当今人类社会的两大重要议题。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种低温燃料电池,因具有能量密度高、结构简单、零排放等优点,拥有巨大的发展潜力和应用前景。PEMFC系统是一个非线性、多变量、多输入输出的复杂系统,安全、稳定、高效运行是其控制目标。PEMFC的研究主要集中于模型的建立以及对子系统的控制,这对于提高燃料电池的发电效率以及延长使用寿命至关重要。目前国内相关研究多还处于实验室阶段,特别是控制方面还有许多问题亟需解决。本文以PEMFC为研究对象,针对PEMFC系统的建模和优化控制展开研究,主要内容如下:（1）调研了PEMFC的研究背景,包括其产生、特点及发展。分析了有关PEMFC系统的建模和优化控制的研究现状,由此引出了本文的研究重点。（2）在一定假设条件下,基于PEMFC的电化学特性、气体热动力学性质、质量守恒定律等,建立了PEMFC的电堆模型和空气供给系统模型。为后续建立基于改进BP神经网络的电堆模型和PEMFC系统控制设计,提供了一定的理论依据。（3）由于PEMFC电堆输出特性与运行参数之间的复杂关系,建立基于BP神经网络的PEMFC电堆模型。采用贝叶斯正则化算法改进BP神经网络,较好地解决了传统BP神经网络存在的高训练精度、低预测精度的过拟合问题。仿真验证了经过训练后的电堆模型,在精度和稳定性上具有一定的优势,即使在训练样本数量减少的情况下,依然可以保持良好的泛化能力和较高的稳定性。（4）针对PEMFC较软的输出特性,搭建PEMFC的DC/DC系统,分析了含燃料电池和蓄电池的双有源DC/DC的工作条件和控制规律,采用一种基于燃料电池电压和蓄电池电压的双外环并行控制策略。双外环控制结构实现了在蓄电池端电压过高以及燃料电池输出电流过大时,限制燃料电池的输出电流,避免蓄电池的过度充电和燃料电池的过度放电,提高系统的安全性、可靠性,并通过仿真验证了所提方法的有效性。（5）考虑到PEMFC系统中空气压缩机的功率消耗在所有辅助设备中占比最大。以PEMFC系统效率作为控制目标,采用扰动观察（P&O）与DC/DC能量管理联动方法,控制空气压缩机端电压,使系统维持在最大效率点附近,缩短了搜索系统最大效率点所需的时间,有效避免了过氧比在负载功率变化时可能处于失控的状态,同时仿真验证了控制方法的正确性。