毫无疑问,能源需求的日益增加和环境问题的不断突出是21世纪所面临的最严峻的考验。氢能源因相对于传统能源,有储量丰富、无污染和能量密度高等优点,不仅受到了学术界的广泛关注,还受到了工业界的青睐。质子交换膜燃料电池有工作温度低、能量转换率高、零排放等优点,是一种将氢能转换为电能的高效装置。实际应用中的燃料电池系统具有很强的非线性、各子系统间耦合严重,是一个多学科交叉的复杂系统,这是整体系统控制器设计的主要难点所在。但行之有效的控制算法不仅可以提高燃料电池的工作效率,还可以提高燃料电池使用寿命。实际应用中的燃料电池控制器设计的另一难点是,燃料电池内部混合气体气压和氢气分压的测量成本高,在系统控制器设计时被认为是未知的。针对质子交换膜燃料电池系统阳极出口的气压和实际需要用到的阳极内部气压是不同这一问题,本文把燃料电池阳极分成三段建模来减少两者之间的误差,同时把气压、电化学反应、气体渗透的空间分布不均匀考虑进去。首先,基于分段阳极模型建立了氢气供给系统机理模型,模型包括了氢气的循环和泄漏,再把机理模型转换成一个多输入多输出的非线性紧凑的状态方程。然后,设计了一个基于未知干扰观测器的全状态反馈控制器,保证氢气的足够供应的同时让阳极氢气维持在合适的浓度,还在理论上证明了系统的稳定性。紧接着,在假设外部干扰已知的情况下,设计了高阶滑模观测器来估计不可测的混合气体气压和氢气分压。最后,结合全状态反馈控制器和高阶滑模观测器,设计了适用于实际氢气供给系统的输出反馈控制器,并通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性,同时仿真结果也表明了控制器和观测器设计方法的有效性。