本发明涉及基于双功能水循环的一体式可逆燃料电池系统及其电堆，燃料电池系统至少包括燃料电池电堆，氢气循环模块，氧气循环模块和水循环模块，燃料电池电堆包括多个依次叠加的单电池以及氢气进出口、氧气进出口和冷却流体进出口，氢气循环模块连接燃料电池电堆的氢气进出口，氧气循环模块连接燃料电池电堆的氧气进出口，水循环模块连接燃料电池电堆的冷却流体进出口，其中，水循环模块包括循环水泵和热交换器，在电解时，循环水泵提供平行的热交换器加热后的水至燃料电池电堆的冷却流体进口和氧气入口；在发电时，循环水泵提供热交换器加热后的冷却水至燃料电池电堆的冷却流体进口。通过水循环的双功能实现燃料电池的一体式可逆循环。