氢能是最有希望成为下一代支柱能源的新能源之一，而具有清洁高效等优点的氢燃料电池是21世纪最理想的氢能利用形式。氢燃料电池由于自身结构的特点，发出的电能存在输出电压较低且不稳定、输出功率波动较大等问题，必须首先通过DC-DC变换器对氢燃料电池输出电压进行变压和稳压处理，才能稳定高效地向后级电路及负载供电。因此，研究高效稳定的DC-DC变换器，对于改善氢燃料电池输出电能特性以及提高氢燃料电池输出电能的利用率具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在研究氢燃料电池基本结构、工作原理及其数学模型建模机理的基础上，采用半机理半经验的建模方法，建立了氢燃料电池稳态和动态的集总参数模型，并运用Matlab/Simulink仿真软件搭建了2kW氢燃料电池仿真模型，通过仿真研究其输出电能特性。根据研究结果，对多种DC-DC变换器拓扑结构进行比较分析，分别选择Boost电路和Boost+全桥电路作为主电路拓扑，设计了基于北京化工大学2kW氢能反应堆的单级和两级DC-DC变换器，将氢能反应堆发出的10~15V不稳定的低压直流电转换为48V和110V的稳定直流电。氢燃料电池和DC-DC变换器联合仿真的结果表明，本文设计的DC-DC变换器在保证较高电能转换效率的同时实现了升压和稳压功能，有效改善了氢燃料电池的输出电能特性，适用于2kW氢燃料电池发电的电能变换系统。