无人机的续航时间成为限制其应用的重要因素,质子交换膜燃料电池具有能量密度高的特点,能够为无人机提供长时间的续航,通过燃料电池与锂电池组成混合动力系统有效解决燃料电池输出功率不足的问题,燃料电池混合动力系统具有复杂度高的特点,受到多种因素的影响,对无人机飞行性能具有重要影响,因此针对燃料电池混合动力系统的设计研究具有重要意义,本文具体的研究内容如下:首先,本文在混合动力系统拓扑结构的基础上对系统主要部件:储氢系统、燃料电池、动力电池、DC/DC等进行了选型并建立了数学模型,通过实验验证了部件模型有效性。其次,对垂直起降固定翼无人机的功率特性进行了分析,提出了基于最优航时的混合动力系统的优化设计方法,基于部件的数学模型得到混合动力系统的优化设计程序获得基于最优航时的系统总体设计方案,通过对比研究表明相对于一般设计方法可以有效提升无人机续航时间。根据系统设计方案构建混合动力系统,完成混合动力系统能量管理系统的设计,进行了分系统控制策略设计包括:氢气供应控制策略、进气风扇控制策略和DC/DC变换器输出功率控制策略。完成了基于确定规则的能量管理策略开发,在半实物仿真平台上进行了有效性验证,其巡航阶段系统平均工作效率接近燃料电池单独工作时的效率。最后,将混合动力系统与无人机平台进行整合,实现了燃料电池热管理与进气一体化设计,保证了燃料电池系统高效率高功率密度工作,通过飞行实验对混合动力系统进行了有效性验证,对不同的环境条件对燃料电池混合动力系统的运行影响进行了分析。