چکیده: پیل‌های سوختی وسایلی هستند که در آن‌ها انرژی شیمیائی سوخت‌ به‌طور مستقیم و بدون احتراق به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این وسایل آلاینده های کمتری تولید می کنند و انتظار می رود که نقش مهمی در افزایش بازده سوخت و کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی مرسوم داشته باشند. پیل های سوختی و واکنش های الکتروشیمیایی سوخت در آن ها، به‌ویژه سوخت هیدروژن، یکی از چند راه حل ممکنی است که در درازمدت باعث بهبود بهره وری از انرژی و کاهش گازهای گلخانه ای می شوند. همچنین مزایای زیست‌محیطی قابل‌توجهی از آن ها انتظار می رود. پیل های سوختی خیلی آرام و بی‌سروصدا کار می کنند که این یک ویژگی خیلی مهم برای استفاده از آن ها در وسایل حمل‌ونقل است. در این مطالعه پیل سوختی نوع غشای مبادله پروتون بررسی می شود. این نوع پیل سوختی در دماهای پایین کار می کند که مزیت اصلی این ویژگی این است که به سرعت شروع به کار می کند. مزیت دیگر این نوع پیل سوختی ضخامت کم آن است و می تواند فشرده ساخته شود. پیل سوختی غشای مبادله پروتون از سه قسمت آند ، کاتد و الکترولیت تشکیل شده است که قسمت کاتد آن خود به سه ناحیه کانال گاز ، لایه انتشار گاز و کاتالیزور تقسیم می-شود. ناحیه لایه انتشار گاز یک محیط متخلخل است که برای ایجاد تخلخل، از یک سری فیبرهای کربن که به صورت تصادفی در محیط قرار گرفته اند، استفاده شده است. هدف از این رساله، بررسی لایه انتشار گاز قسمت کاتد پیل سوختی غشای مبادله پروتون در حالت دوفازی و میکروسکوپی است. منظور از بررسی میکروسکوپی، مدل‌سازی ساختار محیط متخلخل است. برای مدل‌سازی جریان دوفازی در محیط متخلخل از روش شبکه بولتزمن استفاده شده است. هدف از این رساله بررسی اثر استفاده ی همزمان فیبرهای آب-دوست و آب گریز در لایه انتشار گاز است که در نهایت منجر به معرفی حالت مناسب ترکیب این فیبرها -شده است. منظور از حالت مناسب، محل مناسب برای قرارگیری فیبرهای آب دوست، ضخامت فیبرهای آب-دوست و زاویه خیسی فیبرهای آب گریز است. به‌طور کلی فیبرهای کربن آب دوست موجود در محیط بسته به ضخامتی که دارند و موقعیتی که در آن قرار می گیرند می توانند باعث بهبود یا تضعیف عملکرد پیل سوختی شوند. نتایج این بررسی نشان می دهد که هر چه فیبرهای آب دوست موجود در محیط به کانال گاز نزدیک تر باشند عملکرد پیل سوختی بهتر خواهد شد. به عنوان مثال در صورتی که فیبرهای آب دوست با ضخامت 50 میکرومتر به کانال گاز چسبیده باشند (حالت مناسب) زمان لازم برای رسیدن خوشه ها به کانال گاز و اشباع آب مایع نسبت به حالت کاملاً آب گریز به ترتیب 17% و 19% کاهش خواهند یافت.