燃料电池系统的各个组件负责处理燃料、空气、冷却水和电力以产生电能。本文重点介绍燃料电池系统中的核心——燃料电池堆，主要指聚合物电解质膜燃料电池（PMFC）。
燃料电池堆由大量电池组成，主要由所谓的双极板和膜组成。它们产生低于1V的典型电压。这些电池的堆叠导致该单元的可用电压更高。
堆叠可以有335个电池，导致201V的输出电压。最重要的是，燃料堆产生直流电
一般来说，在每个燃料电池中，氢分子在阳极处的质子和电子被分离。质子通过电解质膜直接到达阴极。电子绕过膜，产生电压和电流。在阴极，氢质子、电子和空气中的氧气相遇，在氧气还原反应中形成纯水。
这种反应类似于氢气的燃烧，但没有火焰。不同之处在于，简单地燃烧氢气会产生水和热量作为反应产物，而燃料电池氧化过程会将氢气中约50%的能量转化为电能。另外50%仍然是热量，需要从燃料电池中冷却掉
市场上有各种类型的燃料电池。聚合物电解质膜燃料电池（PMFC）主要用于汽车、铁路发动机和船舶等各种应用。这种燃料电池原理的优点是整个系统的简单性。一个类似的实用原理是使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池（DMFC）。但一般来说，应用程序将决定要使用的最佳原理。
如果将燃料电池堆视为一个黑匣子，可以简单地假设它需要氢气、冷却和空气，然后才能运行。但事情远不止如此。大多数PEMFC需要小于3bar（a）的氢气压力。如果现在调查一下这种膜的厚度约为20微米的事实，很明显，膜所能承受的最大压差是有极限的。这需要燃料电池中氢气和空气的高质量压力控制。如果我们现在调查从科罗拉多州博尔德（1655米）到派克峰（约4300米）的一次驾驶，以极端的情况来看，空气压缩机的入口压力为835hPa至606,3hPa，大约是海平面压力的60%。这导致对压缩机处理不同环境条件的能力有很高的要求，因为空气压缩机看到的压力比通常最大为3，但可能高达5。很明显，需要氢气与空气控制的灵活性来保持系统的性能
另一个方面是空气质量。PEMFC不喜欢一氧化碳或H2S。例如，如果一辆FCEV一直停在有人耕种的田地附近，燃料电池系统的效率很可能会降低。一氧化碳在空气供应方面并不是一个大问题。这更多的是燃料不干净、氢气污染的问题。因此，所有加氢站都使用非常高质量的氢气（最低99.97%）来确保燃料电池的恒定性能。
一个重要的问题是燃料电池的冷却。由于系统中产生的大约50%的能量是热量，因此需要一个冷却系统，该系统不仅在所有环境条件下都能工作，而且必须将燃料电池保持在约70°C。此外，冷却液必须是绝缘的，因为它非常接近电。如今，使用软化水/乙二醇混合物来确保冷却液不会冻结，并且电导率非常低
最后，空气湿度对燃料电池，特别是膜的健康和性能起着至关重要的作用。燃料电池阴极中使用的空气需要具有70%以上的相对湿度。在操作中，燃料电池产生的水可用于加湿环境空气。但是，在空气相对湿度低于20%、温度为50°C的纳米比亚沙漠中旅行，对燃料电池系统的湿度管理提出了很高的要求。但是，雾天也不是一个容易的情况，因为太多的湿度会覆盖燃料电池的活性区域，从而降低性能。因此，在最后需要控制许多参数，以确保燃料电池堆的高性能和寿命