در کار حاضر پیل سوختی غشاء تبادل پروتونی تک کاناله به صورت سه بعدی مدل سازی شده است. به منظور مدل سازی معادلات نفوذ، مومنتم و انتقال جرم برای سمت کاتد و آند نوشته و به صورت همزمان حل می شود. سینتیک انتخابی برای واکنش ها با توجه به کاتالیست پلاتین انتخاب شده است. مدل سازی توسط نرم افزار انسیس فلوئنت ویرایش 15 انجام شد و شبیه سازی صورت گرفت. درنهایت منحنی پلاریزاسیون آن رسم گردید. همچنین نتایج مدل به صورت کانتورهای غلظت مولی، دما، آنتالپی و آنتروپی آورده شد. در ادامه تحلیل اگزرژی روی سیستم پیل سوختی صورت گرفت و نمودارهای مربوط به کار، برگشت ناپذیری و بازده ی اگزرژی رسم شدند. نتایج حاکی از آن هستند که افزایش دما و فشار و کاهش ضخامت غشاء موجب افزایش کار و بازده اگزرژی و کاهش برگشت ناپذیری می شوند. همچنین با افزایش چگالی جریان، ابتدا کار افزایش و سپس کاهش می یابد. همچنین افزایش چگالی جریان موجب افزایش برگشت ناپذیری و کاهش بازده ی اگزرژی می شود. در ادامه، بهینه سازی تک هدفه ی چهار متغیره با هدف حداکثر کردن کار گرفته شده از سیستم و بازده اگزرژی و حداقل کردن برگشت ناپذیری ترمودینامیکی با استفاده از نرم افزار متلب و شاخه الگوریتم ژنتیک آن انجام گردید. همچنین بهینه سازی چندهدفه ی چهار متغیره نیز صورت گرفت.