质子交换膜燃料电池因其高效、清洁以及良好的输出稳定性等优点,逐渐成为人们应对传统能源问题首选的新型能源之一,现已广泛实践应用于各个领域,如轨道交通、军事工业、航天航空等。阴极开放式PEMFC作为其中系统结构简单的一类代表,因其高功率密度和低温快速启动等优点成为研究发展最为迅速的燃料电池。目前关于燃料电池的研究已有大量的仿真建模成果,但由于阴极开放式PEMFC是一个多输入、多输出非线性强耦合的复杂动态系统,通过单纯的理论仿真所得的控制器方案难以在实际硬件系统中得到较好的控制效果,因此仿真建模并不具备较强的实际应用能力。本文在实际系统平台,基于阴极开放式质子交换膜燃料电池的实际运行特性,将系统实时测得的运行数据进行分析处理,得到系统的输出功率特性。基于系统的输出功率特性及阴极开放式PEMFC的系统结构特点,设计测控实验平台,搭建了由控制板与LabVIEW上位机软件所构成的硬件平台,通过系统的启停控制方案与系统流程的具体设计,保证了电堆的稳定高效运行,在所搭建测控平台上对阴极开放式PEMFC系统运行特性进行分析验证。设计系统最优输出功率调节器,得到系统最优输出特性,提出基于系统最优输出功率特性的PEMFC系统性能优化控制方法,采用离散增量式PID、模糊逻辑以及结合两者优点的自适应模糊PID控制方法实现最优输出功率控制,通过实验分析各控制参变量对系统控制效果的影响,选取合理的控制参数实现系统的输出性能优化。对比不同的控制方法在负载变化时的动态响应特性差异,得出自适应模糊PID控制在三者中具有最好的系统动态响应与稳态特性的结论。考虑系统非线性时滞特性,提出了一种基于在线辨识的系统输出性能优化控制方法,对非线性系统进行动态线性化得到系统的泛模型,再结合预测控制的思想设计基于偏格式动态线性化的无模型自适应预测控制方法(PFDL-MFAPC),完成线性化方法的理论推导与证明。基于所设计的最优准则实现泛模型中的伪梯度向量的在线辨识,并通过测控平台验证算法的有效性。与自适应模糊PID控制方法的对比可看出所提算法可以有效的减少系统超调,使得系统输出功率更平稳,风扇控制电压的波动更小,更有利于电堆长期稳定运行。