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燃料电池堆包含一系列由膜电极、双极板和密封件组成的重复单元—单体电池，所有重复的单体被堆叠在一起，通过两端的端板夹住，形成一个燃料电池堆，图3-1是电堆3D模型示意图。燃料电池堆的设计基本包括：反应物在每个单体间和单体内的均匀分布、适当的工作温度、最小的电压损失、无反应物的泄漏和坚固的机械结构。
PEMFC堆叠组装的理想工艺应符合以下要求：
1）GDL压缩必须达到足够的值，以产生最佳性能。
2）GDL和双极板之间的接触压力分布应该均匀，足以降低接触电阻。
3）端板、双极板等支撑部件的变形应非常小，以产生均匀的夹紧力。
4）支撑部件的极限应力必须低于允许值。
5）密封压力必须大于流体的工作压力，以防止泄漏。
一个大型的燃料电池堆可能由数百个结构件组成，这些结构件由具有拉伸应力的螺栓施加一定的夹紧力，靠两端两个端板压缩在一起。端板是支撑电堆结构的最重要的部分，应具有以下特性：
图3-1 电堆3D模型
1）拥有足够的机械强度和刚度，以承受堆叠可能承受的夹紧力、堆叠重力、振动和冲击力等随机载荷。采用高弹性模量、高屈服应力极限的弹性材料制成的端板，确保在去除外力后能恢复到初始设计的状态。因此，早期使用的端板多为金属材料。
2）尽可能小的质量/体积，以增加电堆的功率密度。通过轻材料的选择、结构的优化及两者的结合来实现。
3）较高的抗弯刚度，以保证燃料电池堆内均匀的接触压力。增加端板材料的厚度或选择高刚度材料，如钢，可以提高端板材料的抗弯刚度。然而，这常常与电堆设计中的小质量/体积需求相冲突。
4）良好的耐蚀性、易加工、低成本等。
端板的设计将影响PEMFC的性能，包括GDL效率、密封能力和结构可靠性。在一般的夹紧方法中，螺栓设计在端板边缘。端板的面积通常大于电池的活性面积，这样的几何设计导致端板结构容易弯曲。因此，装夹方式和端板形状对燃料电池堆的性能有很大影响。
双极板（BP）是燃料电池堆中最重要的部件之一，被誉为燃料电池的“筋骨”。其重量占电堆总重量的60%以上，制造成本占总成本的30%左右。双极板具有功能性通道和凹槽。一侧的通道用于向单电池提供反应物，另一侧的通道用于泵送冷却剂以保持各个单电池的工作温度。优良的双极板应具有以下功能：
1）通过合理的流道设计，实现反应物在电堆内尽可能地均匀分布。
2）高效疏水结构，以便于管理电堆内反应生成水，即有效地输送反应生成水。
3）具有一定的导热性，并为冷却剂提供流动通道，将反应热从电堆中带走，便于电堆的热平衡管理。
4）分离每个单电池，并在相邻单电池之间提供一系列电连接。
5）配合密封胶材料提供电堆密封功能，避免氧气和氢气泄漏。
6）良好的导电性，耐腐蚀性。
除性能控制外，双极板的重量和成本降低一直是20多年来双极板设计和制造的两个最重要的目标。设计轻量化的双极板是降低燃料电池堆总重量的有效途径。双极板成本主要包括材料成本和制造成本。在材料选择方面，必须在材料成本、电气和力学性能、耐腐蚀性能、可制造性等方面进行平衡。双极板的大部分生产成本取决于制造技术，这是燃料电池堆大规模商业化生产的关键技术。目前，针对双极板制造提出了多种制造方法，如机铣、注射成型、冲压成型、橡胶成型、电火花加工、3D打印等。
对于一个单体电池的流场设计原则是在电池的活性区向每个通道提供均匀的气体反应物进气和合理的低而均匀的压降，并确定通道内气体速度和压力的阈值，以避免水淹或干燥。寻找流场分布均匀、压降较低的最优设计，包括通道形状和长度，以最大限度地提高功率输出和耐久性。一个大规模电堆往往是由一系列相同的单电池堆叠而成，整个电堆的流场设计的目标是在给定的工况下，实现所有单电池的性能、耐久性和寿命都高度相似。这是基于所有单电池都将具有相同性能的假设，因为它们使用相同的材料、密封件、催化剂、结构、电化学过程，并在相同的操作条件下工作。然而，在实践中，大多数的电堆都或多或少地表现出单个电池性能的不均匀及衰减的不同步，随着单体数量的增多，如何保证各个单体间的流体分配一致性，是大功率电堆设计的难点。
一个大型的燃料电池堆有许多密封的接口。密封稳定性是影响质子交换膜燃料电池堆性能和安全性的重要因素之一。为了保证大型电堆的高性能和安全性，可靠的密封设计是必要的。质子交换膜燃料电池堆的密封设计大多采用密封垫包围MEA，以防止气体或反应物从堆的密封接口泄漏。超弹性聚合物由于成本低、弹性变形性能好，常被用作衬垫材料。然而，如果密封结构设计不当，在运行过程中甚至在组装过程中都会发生密封失效。此外，由于在燃料电池运行中密封材料暴露在如酸、湿度大、温度不当和机械负载循环的环境中，垫片材料的性能会发生退化。
燃料电池堆中的密封结构通常有四种类型：PEM直接密封、PEM包裹框架密封、MEA包裹框架密封、刚性框架密封，它们既可用于石墨极板，也可用于金属极板。各种密封结构的工作原理都是一样的，即需要一个合适的密封压力来实现可靠的密封。任何工程表面在纳米和微米尺度上都是粗糙的。因此，在两个固体接触面之间总是存在大量复杂且随机的纳米/微通道。为了控制接触固体表面之间的泄漏，需要最小的接触压力 P min ，以保证表面粗糙度发生足够的弹性变形，使粗糙表面之间的纳米间隙和微间隙很小，使泄漏控制在设计标准之内。此外，接触压力不能过高，超过最大接触压力 P max ，密封结构材料可能会发生塑性变形，甚至断裂损伤。因此，密封接口的接触压力应设计在 P min ～ P max 的范围内。然而，密封接触压力的设计需要对整个电堆结构进行协同优化，因为密封压力会影响MEA和双极板的接触压力和载荷，这取决于所有结构材料的温度、湿度和应力-应变关系。因此，密封接触压力设计实际上是一种系统化设计，不能脱离电堆结构设计。