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PEMFC动力系统主要通过燃料电池堆模块搭配相应的辅助子系统，如氢气供给子系统、空气供给子系统、水热管理子系统、电力调节子系统和控制/监督子系统等实现运转发电，如图1-6所示。其中，燃料电池堆模块是发生电化学反应的场所，为燃料电池发动机提供动力来源，被称为燃料电池发动机系统的心脏，是整个燃料电池系统中最为核心的部分。图1-7展示了国内外厂家的电堆产品。
图1-6 PEMFC动力系统组成
图1-7 国内外厂家电堆产品
电堆模块主要由端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极、紧固件、密封件七个部分组成，其中膜电极和两侧双极板组成单电池，为反应发电的最小单元。由于质子交换膜燃料电池（PEFMC）单电池产生的电压非常有限，即使在最理想的状态下，其产生电压也不超过1.23V，再加上伴随产生的各种极化现象会损耗生成电压，实际能输出的电压范围大概在0.6～0.8V，因此在实际使用过程中，工程师通常根据实际电流、电压和功率的需求，通过双极板与膜电极交替叠合，将多个单电池串联叠加在一起，并在各单体之间嵌入密封件，最后使用端板配合紧固件（通常采用螺杆或者钢带）以一定的压紧力将内部结构紧密封装在一起，装配成为电堆结构。质子交换膜燃料电池堆模块的剖面示意和实体结构如图1-8所示。
图1-8 质子交换膜燃料电池堆模块剖面示意及实体结构
电堆模块中各组件的相应功能及要求如下：
（1）端板 端板的主要作用是控制各组件间的接触压力并配合紧固件提供紧固力，因此足够的强度与刚度是端板最重要的特性。足够的强度可以保证在封装力作用下端板不发生破坏，足够的刚度则可以使得端板变形更加合理，从而均匀地传递封装力到密封件和膜电极上，对于电堆性能及整体稳定性具有重要作用。
（2）绝缘板 绝缘板对燃料电池功率输出无贡献，仅对集流板和后端板电隔离。为了提高功率密度，要求在保证绝缘距离（或绝缘电阻）的前提下最大化减小绝缘板的厚度及重量。但减小绝缘板厚度易导致在制造过程中产生针孔，并且可能引入其他导电材料，引起绝缘性能降低。
（3）集流板 集流板是将燃料电池的电能输送到外部负载的关键部分。考虑到燃料电池的输出电流较大，多采用导电率较高的金属材料制成的金属板（如铜板、镍板或镀金的金属板）作为燃料电池的集流板。
（4）双极板 燃料电池双极板（Bipolar Plate，BP）又叫流场板，是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。
（5）膜电极 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心组件就是膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA），它一般由质子交换膜、催化层与气体扩散层三个部分组成所谓的“三合一结构”。PEMFC的性能由MEA决定，而MEA的性能主要由质子交换膜性能、扩散层结构、催化层材料和性能、MEA本身的制备工艺决定。
（6）紧固件 紧固件的作用主要是维持电堆各组件之间的接触压力。为了维持接触压力的稳定和补偿密封件的压缩永久变形，端板与绝缘板之间还可以添加弹性元件。
（7）密封件 燃料电池密封件的主要作用就是保证电堆内部的气体和液体正常、安全地流动，其需要满足以下要求：①较高的气体阻隔性：保证对氢气和氧气的密封；②低透湿性：保证高分子薄膜在水蒸气饱和状态下工作；③耐湿性：保证高分子薄膜工作时形成饱和水蒸气；④环境耐热性：适应高分子薄膜的工作环境；⑤环境绝缘性：防止单体电池间电气短路；⑥橡胶弹性体：吸收振动和冲击；⑦耐冷却液：保证低离子析出率。
另外，按照组件功能划分，电堆模块可以分为以下几部分：
（1）供气分配机构 包括与歧管连接并贯穿各部件的气体主通道和单电池内双极板流道。
（2）电堆紧固结构 包括前后端板及与之配合的紧固件（通常采用螺杆或者钢带）。通常按照紧固方式的不同将电堆分为螺杆紧固式电堆和钢带紧固式电堆，如图1-9所示。
（3）电堆绝缘结构 主要包括电堆两侧的绝缘板。
（4）电堆密封结构 主要包括密封垫片及膜电极密封填胶。
（5）单电池 电化学反应发生场所，其包括膜电极和双极板，是发电的最小单元。
图1-9 螺杆紧固式电堆和钢带紧固式电堆
下面将对以上五个功能性子结构逐一进行详细阐述。