质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种将氢能直接转化为电能的新型发电装置，反应过程仅生成水和热，具有效率高、无污染、可靠性高的优点，可被应用于新能源汽车、无人机等领域。为满足实际应用的需要，开展燃料电池动态建模和功率变换单元的研究具有十分重要的理论及实践意义。　　本文将分数阶微积分理论引入到PEMFC建模研究中，提出了一种PEMFC分数阶阻抗特性模型;同时为改善PEMFC输出电压特性，设计具有预稳压功能的前级功率变换器，并验证分数阶控制器在开关电源应用的可行性。主要研究内容包括:　　1.针对PEMFC中存在的分数阶特性，结合改进粒子群优化(Particle SwarmOptimization，PSO)算法，建立了一种PEMFC分数阶阻抗特性模型。根据等效内阻抗Nyquist曲线对比说明PEMFC具有分数阶特性，将分数阶电容引入PEMFC等效电路模型，结合非线性修正项得到分数阶阻抗特性模型，采用经随机权重改进的PSO算法对未知参数进行辨识。结果表明所建模型在全电流密度段均较好拟合稳态极化曲线，且能展现PEMFC输出电压动态过程，适用性更强。　　2.针对PEMFC输出特性较软的问题，对比多种非隔离升降压变换器性能，选择四开关Buck-Boost变换器作为前级功率变换单元主拓扑，并根据典型工作波形分析确定混合模式-双沿开关管触发策略更优;基于高频开关网络等效原理，推导了更精确描述不同工况间相互影响的主拓扑动态模型，并得到主要器件计算公式。　　3.根据系统不同工况下Bode图性能对比，选定降压工况作为闭环设计被控对象，设计了双零点-三极点补偿器，同时采用改进PSO算法对PIλDμ控制器参数进行整定;通过PEMFC模型与四开关Buck-Boost变换器级联仿真表明:相较于双零点-三极点补偿器，PIλDμ控制器具有极强的抑制超调能力，抗扰能力较好，综合性能更优。　　4.基于PEMFC测控平台搭建50W实验样机，研究分数阶控制器对开关电源补偿的可行性。设计了PEMFC前级功率变换单元硬件电路，包括主拓扑、采样及隔离驱动电路;并在DSP算法流程中编程实现了PIλDμ控制器离散化差分方程表达式;结合不同工况下实际补偿效果验证了PIλDμ控制器的可行性，同时前级功率变换器基本达到预稳压设计目标。