本申请公开了一种基于质子交换膜的电解制氢系统及制氢方法，包括PEM电解槽、氧气循环系统和水箱，氧气循环系统和PEM电解槽的阳极侧相连，PEM电解槽与直流电源相连，PEM电解槽的阳极侧设置有氧气路入口和氧气路出口，PEM电解槽的阴极侧设置有多个氢气路出口；氧气循环系统包括循环水泵、第一气液分离器和三通阀，三通阀一个通口与第一气液分离器相连，一个通口与循环水泵相连，一个通口与PEM电解槽入口相连；水箱分别与氧气路入口和第一气液分离器连通，水箱和氧气路入口之间设置有截止阀；多个氢气路出口均与第二气液分离器连通。该基于质子交换膜的电解制氢系统运行过程中温度波动小，能够稳定控制系统温度分布并使得系统稳定运行。