اصلاح و ارتقای عملکرد پیل سوختی غشای تبادل پروتون مستلزم انجام تحقیقات بسیاری است که این امر بدون شبیه سازی جریان سیالات، انتقال حرارت و فرآیندهای الکتروشیمیایی میسر نمی شود. روش بولتزمن شبکه ای با قابلیت هایی مطلوب در شبیه سازی مسائل میکرو-مقیاس و چند گونه ای، برای مطالعه پیل سوختی می تواند ابزاری مناسب باشد. اما این روش به دلیل نوپا بودن، دچار مسائل و مشکلاتی است و در برخی زمینه ها راهکار رضایت بخشی برای مدلسازی ارائه نمی نماید. به همین دلیل نیاز به توسعه و ارتقای آن در زمینه شبیه سازی فرآیندهای پیل سوختی احساس می شود. در این رساله با توسعه گام به گام مدلی دوبعدی به روش بولتزمن شبکه ای، محیط متخلخل، جریان گونه های مختلف، انتقال حرارت و فرآیندهای الکتروشیمیایی در یک پیل سوختی غشای تبادل پروتون شبیه سازی شده است. برای نیل به این مدل، تلاش هایی جهت اصلاح روش های موجود صورت گرفته که منجر به توسعه روشی جدید در پیاده سازی شرط مرزی دما-ثابت، توسعه روشی جدید در مدل سازی انتقال حرارت ترکیبی و ارائه راه کارهای عددی مختلفی برای ارتقای مدلسازی هیدرودینامیکی و حرارتی روش بولتزمن شبکه ای گردیده است. در نهایت با استفاده از مدل حاصل، جریان سیالات، انتقال حرارت و فرآیندهای الکتروشیمیایی پیل در کاتالیست سمت کاتد مورد مطالعه قرار گرفته است.