پیل های سوختییل های سوختی دارای اجزای مختلفی هستند که در شکل زیر نیز نشان داده ‌شده اند.

شکل (1). ساختمان باز شده یک پیل سوختی

   پیل‌های سوختی از سه جزء اصلی شامل مجموعه غشا-الکترود، لایه های نفوذ گاز و صفحه های دوقطبی تشکیل شده اند که مواد سازنده این اجزا در پیل‌های سوختی مختلف متفاوت است. به صورت جزیی مجموعه غشا-الکترود نیز شامل غشای مرکزی (الکترولیت)، الکترود آند و الکترود کاتد می باشند. فارغ از نوع پیل های سوختی، ساختمان و ساختار پیل های سوختی مشابه یکدیگر هستند.

   1.مجموعه غشا-الکترود (Membrane Electrode Assembly)

   الکترودها (آند و کاتد)، کاتالیست و غشای مرکزی با هم مجموعه غشا-الکترود یک پیل سوختی را تشکیل می دهند.

شکل (2). تصویر مجموعه غشا-الکترود

   الکترود آند (Anode Electrode)

   آند قطب منفی پیل سوختی است و مجموع لایه کاتالیست و لایه نفوذ گاز سمت آند را با هم الکترود آند می نامند. در سمت آند پیل سوختی، در اثر برخورد سوخت ورودی به لایه کاتالیست، واکنشی صورت می گیرد که در نتیجه آن، الکترون از مولکول های سوخت جدا شده و به مدار خارجی منتقل می گردد. مولکول های سوخت که الکترون از دست داده اند نیز به یون های مثبت و یا منفی (بسته به نوع پیل سوختی می تواند یون مثبت و یا یون منفی باشد) تبدیل می شوند.

شکل (3). لایه کاتالیست آند پوشش داده شده بر روی غشای مرکزی

   الکترولیت (Electrolyte)

   الکترولیت‌ یك غشاء نازك (µm 100-18) است که بسته به نوع پیل سوختی می تواند مایع، جامد و یا یک ورق پلیمری انعطاف پذیر باشد. الکترولیت یون های تشکیل شده در سمت آند را از خود عبور داده و مانع عبور الکترون در مدار داخلی از سمت آند به کاتد می شود. عبور الکترون و یا هرگونه ماده دیگری از الکترولیت سبب ایجاد اختلال در فرآیندهای شیمیایی و کاهش راندمان پیل سوختی می گردد.

شکل (4). ورق نفیون 117 - نمونه ای از الکترولیت پیل سوختی

   الکترود کاتد (Cathode Electrode)

   کاتد قطب مثبت پیل سوختی است و الکترود کاتد نیز مشابه الکترود آند شامل لایه نفوذ گاز و لایه کاتالیستی که بر روی آن بارگذاری می شود ‌است. بر روی سطح الکترود کاتد، الکترون بازگشتی از مدار خارجی با یون عبوری از لایه الکترولیت و اکسید کننده ترکیب شده و آب تشکیل می شود. آب تشکیل شده به همراه سایر مواد تولیدی از خروجی سمت کاتد وارد محیط بیرون می شوند.

شکل (5). لایه کاتالیست کاتد و آند بر روی الکترولیت

   سطح الکترودها و لایه کاتالیست به صورت متخلخل ساخته می‌شوند تا با افزایش سطح تماس موثر سوخت و اکسید کننده با کاتالیست، میزان نرخ واکنش را افزایش دهند. کاتالیست که به صورت یک لایه نازک بر روی الکترود بارگذاری می شود برای افزایش سرعت واکنش ها استفاده می گردد.

   ضخامت الکترولیت بر اساس نوع پیل سوختی و جنس آن متغیر است. ضخامت لایه کاتالیست در واقع به مقدار ماده ای که به عنوان کاتالیست در آن استفاده می شود بستگی دارد. جنس ماده مورد استفاده به عنوان کاتالیست نیز به نوع پیل سوختی بستگی دارد. به طور مثال در یک پیل سوختی پلیمری که از پلاتین به عنوان کاتالیست استفاده می شود، لایه کاتالیستی که شامل 15/0 میلی گرم پلاتین در هر سانتی متر مربع از الکترود است (0.15 milligrams (mg) Pt/cm²) دارای ضخامتی در حدود 10 میکرومتر می باشد. در این شرایط، کل ضخامت مجموعه غشا-الکترود حدود 200 میکرومتر است که می تواند جریانی در حدود نیم آمپر با ولتاژی در حدود 7/0 ولت به ازای هر سانتی مربع تولید نماید.

   به دلیل استفاده از فلزات گران قیمت مانند پلاتین در کاتالیست، پر هزینه ترین قسمت پیل های سوختی مجموعه غشا-الکترود محسوب می شود. از این رو در سال های اخیر اکثر تحقیقات و تلاش ها برای کاهش هزینه های تولید لایه کاتالیست صورت گرفته است.

   2. لایه های نفوذ گاز (Gas Diffusion Layers (GDLs))

   لایه های نفوذ گاز برای افزایش جریان عبوری از غشای مرکزی و در نتیجه افزایش راندمان پیل سوختی مورد استفاده قرار می گیرند. لایه های نفوذ گاز که در هر دو سمت آند و کاتد وجود دارند معمولا از جنس صفحات کربنی متخلخل (Porous Carbon Papers) و یا پارچه های کربنی (Carbon Cloths) می باشند. به طور کلی لایه های نفوذ گاز می بایست از موادی ساخته شوند که قابلیت هدایت الکترون را داشته باشند. علاوه بر این، ماهیت متخلخل بودن لایه های نفوذ گاز سبب می شود تا واکنشگرها چه در سمت آند و چه در سمت کاتد به طور کامل و موثر بر روی کل سطح لایه کاتالیست مجموعه غشا-الکترود پخش گردند. افزایش سطح برخورد واکنشگرها با لایه کاتالیست، افزایش تعداد الکترون های تولیدی را به همراه دارد. همانطور که بیان شد افزایش تعداد الکترون به معنی افزایش جریان تولیدی و در نتیجه افزایش راندمان پیل سوختی است.

شکل (6). صفحه متخلخل و پارچه کربنی لایه نفوذ گاز

   همچنین لایه های نفوذ گاز، نرخ آب تولیدی در پیل سوختی را نیز کنترل می کنند چرا که نرخ خیلی کم و یا خیلی زیاد آب تولیدی، عملکرد پیل سوختی را مختل می کند. آب تولیدی ممکن است در خلل و فرج لایه های نفوذ گاز گیر کند. این امر سبب می شود تا واکنشگرها نتوانند با سطح لایه کاتالیست در تماس قرار گیرند. برای جلوگیری از این مشکل، اغلب سطح پارچه کربنی را با تفلون (Teflon™) پوشش می دهند تا از گرفتگی خلل و فرج تا حد ممکن جلوگیری شود.

شکل (7). تصویر یک لایه نفوذ گاز

   لایه نفوذ گاز به عنوان بستری که لایه کاتالیست بر روی آن بارگذاری می شود نیز مورد استفاده قرار می گیرند. مجموعه MEA و GDL را UEA (Unitized Electrode Assembly) می‌نامند. این نکته قابل توجه است که لایه کاتالیست می تواند هم بر روی الکترولیت و هم بر روی لایه نفوذ گاز بارگذاری شود.

   3. صفحه های دو قطبی

   در پشت لایه های نفوذ گاز یک صفحه فلزی به نام صفحه دو قطبی قرار دارد. صفحه های دو قطبی نقش کانال های جریان و جمع کننده ها را با هم ایفا می کنند. در تک سل پیل سوختی، صفحات دو قطبی اجزای انتهایی تشکیل دهنده سل هستند. در استک (Stack) پیل سوختی نیز این صفحه ها وظیفه جدا کردن تک سل ها از یکدیگر را دارد. این صفحه ها از مواد سبک، مقاوم، نفوذناپذیر در مقابل گاز و هادی الکترون ساخته می شوند (موادی مانند گرافیت و برخی از فلزات).

شکل (8). صفحه دو قطبی و کانال جریان پیل سوختی

   اصلی ترین وظیفه هر صفحه ایجاد کانال جریان است. کانال ها بر روی صفحه های به صورت حکاکی وجود دارند. کانال ها، مواد واکنشگر را از سمت ورودی جریان به سمت خروجی آن هدایت می کنند. این کانال ها سبب می شود تا واکنشگرها به طور یکنواخت بر روی تمام قسمت های لایه کاتالیست توزیع گردد. این امر سبب افزایش جریان تولیدی و به تناسب افزایش راندمان پیل می گردد.طرح کانال های جریان (از نظر پهنا و عمق) تاثیر بسیار زیادی بر روی نحوه پخش واکنشگرها بر روی لایه کاتالیست دارد.

   علاوه بر این، صفحه های دو قطبی نقش جمع کننده های جریان را نیز ایفا می کنند. الکترون های تولیدی در واکنش اکسایش در سمت آند باید به مدار خارجی منتقل شده و از سوی دیگر برای واکنش کاهش باید وارد قسمت کاتد شوند. بدین منظور، خروج و ورود الکترون ها در صفحه های دوقطبی صورت می گیرد.