随着全球经济的发展,高效、清洁的新型能源的开发和利用已成为当今世界关注的重点。为实现质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）的商业化,需要综合考虑PEMFC系统输出性能优化的问题。空冷型和水冷型燃料电池作为PEMFC两种类型,因其不同的特点和结构设计,适应于不同的应用场景。目前关于PEMFC的研究已有大量的实验成果,但由于PEMFC是一个多输入、多输出非线性强耦合的复杂动态系统,已有的实验优化成果中单纯对燃料电池的电压输出进行优化控制,而未考虑辅机设备对系统输出的影响。针对PEMFC供气、散热等各个子系统之间的耦合交互作用对PEMFC系统输出性能的影响问题,搭建空冷型和水冷型PEMFC系统实验平台（包括控制板硬件设计与Lab VIEW上位机软件）,研究空冷型和水冷型PEMFC系统在温度、负载、供气变化等不同运行条件下的输出特性,为系统输出性能优化控制奠定实验基础。针对空冷型PEMFC系统的净功率优化问题,基于实验平台得到的净功率特性,分析空冷型PEMFC系统电堆温度、负载变化对系统净功率的影响,提出基于最大净功率策略的滑模变结构控制方法（SMVSC）。该方法通过设计系统最大净功率调节器,得到系统最大净功率点下的电堆运行温度,同时利用Lyapunov函数证明滑模控制作用下闭环系统的稳定性,选取合理的控制参数实现系统的稳定控制。通过空冷型PEMFC系统实验平台,对比传统PID控制以及SMVSC在负载变化时的响应特性差异,验证SMVSC在稳态特性,动态特性和PEMFC净功率输出优于传统的PID控制。针对水冷型PEMFC系统的“氧饥饿”和“氧饱和”问题,基于实验平台得到的净功率特性,分析水冷型PEMFC系统过氧比运行区域对系统输出性能的影响,提出净功率分层控制方法,该方法基于离线+在线的净功率寻优算法作为净功率控制的上层控制,基于超螺旋滑模控制算法的反馈控制作为净功率控制的下层控制,代替传统的PID控制。在硬件在环模式下对净功率分层控制与P&O算法、传统PID控制进行系统稳态、动态输出特性的对比,验证了净功率分层控制能够实现最大净功率寻优,提高PEMFC系统的净功率。