本发明提供的一种质子交换膜电解水制氢系统，包括：PEM电解槽、氢分离器、氧分离器、压力控制装置、差压控制装置及温度控制装置，其中，压力控制装置用于监测氢分离器内部压力及氧分离器内部压力，并根据氢分离器内部压力等级及氧分离器内部压力等级进行分级控制；差压控制装置用于根据预设控制策略调整氢分离器及氧分离器的运行模式；温度控制装置用于监测质子交换膜电解水制氢系统温度，并根据温度等级进行分级控制。根据输入源的变化幅度来自动调整系统内部的压力、温度值，以适应制氢系统阶跃功率输入、工况快速变化等情况。