近些年来,石油等化石能源价格日益增高,化石资源短缺问题逐渐凸显。各国能源部门急需探寻一种可持续,低成本的高效能源来解决当前各国能源紧缺的问题。质子交换膜燃料电池（PEMFC）以氢能作为燃料,具有无污染、高效率、低噪音等优点,已成为当前使用领域最广的一类燃料电池。本文针对PEMFC系统在动态工况下电堆工作温度和阴极相对湿度波动大、控制难、稳定性差等问题,建立了PEMFC系统的电压管理模型,温度管理模型以及湿度管理模型。将MPC控制策略应用于PEMFC电堆的关键参数控制中,为PEMFC电堆的操作参数控制研究提供了新思路。本文的主要研究内容如下:首先,基于质量守恒和能量守恒建立了PEMFC系统的电压模型、温度管理模型、湿度管理模型。通过MATLAB/Simulink建立了系统仿真模型,对比相同操作条件下的仿真数据与实验数据,数据吻合良好,验证了模型的可靠性。讨论了阴极湿度对PEMFC系统输出电压的影响。结果表明,当阴极相对湿度为100%,电堆输出性能最好。其次,提出了一种基于模型预测控制（MPC）的PEMFC电池温度和电压控制策略。建立了MPC温度与电压控制系统,以冷却水流量和阳极进气压力为控制变量,电池工作温度和输出电压为控制目标,实现对电池温度与电压的稳定控制。讨论了不同控制器对于PEMFC系统温度和电压控制性能。在MPC控制器的作用下,电堆的温度和电压分别随负载电流波动并及时恢复到稳定值。与PID控制器和模糊PID（Fuzzy-PID）控制器相比,MPC控制器在温度和电压控制上具有较小的超调和在较短的时间内能稳定在设定值。在不同的参数变化情况下,MPC控制器在稳定电压方面表现出更好的性能。实验结果表明,电堆工作温度超调可精确控制在1.1K以内。最后,提出了一种基于无偏差MPC的PEMFC电池组阴极相对湿度管理控制策略。建立了无偏差MPC湿度控制系统,以阴极的进气湿度为控制变量,阴极相对湿度为控制目标,实现对阴极相对湿度的稳定控制。结果表明,与PID与Fuzzy-PID控制相比,无偏差MPC控制器在阴极湿度控制上超调量更小,调节时间更短。无偏差MPC控制下的PEMFC电压输出效率比PID控制器和Fuzzy-PID控制器分别高3.36%和2.82%。研究了不同工作温度和进气压力下无偏差MPC的控制性能。结果表明,无偏差MPC的超调量小于1%,响应时间仅为0.4s。