开发高效能量转换和储存过程是解决能源问题的主要途径之一。本文首先系统的概述了直接碳燃料电池和全钒液流储能电池的发展历程、研究方法和应用情况。然后对直接碳燃料电池进行了从单个碳颗粒,电极,单电池,到高效能量转换过程的理论分析和模拟研究。开发了乙酰丙酮钒有机电解质并应用于液流储能电池。直接碳燃料电池阳极理论研究。提出了直接碳燃料电池阳极多步骤电化学反应机理。在传统电化学动力学基础上,引入了基元反应平均反应时间,推导了阳极反应动力学方程。建立了碳材料（炭黑和石墨）微观结构模型。定义了活性碳原子浓度。在Nernst方程中引入了固体活度项用于考察直接碳燃料电池的热力学性能。结果表明,修正后的方程所预测的趋势与实验结果相同。直接碳燃料电池单电池的理论模拟和分析。模型综合考虑了电化学动力学,传质过程和电极反应过程。模拟结果揭示了对直接碳燃料电池单电池实验研究和商业应用有价值的重要特点。由模拟结果可知,在单电池工作温度范围内,电池反应受阳极活化极化步骤控制。电池工作温度对各种极化损失尤其是阳极活化极化产生重要影响。发生反应的电极表面积大小和电子传递路径是影响电池性能的重要因素。在碳颗粒直径为1.0×10^-7 - 1.0×10^-4 m范围内,单电池功率密度高达200-500 W m^-2。基于甲烷催化裂解过程和双燃料电池的高效化学能转换过程的理论模拟和分析。提出了两个基于甲烷催化裂解过程、直接碳燃料电池、内重整固体氧化物燃料电池和气体透平的高效能量转换过程。对以上过程的主要部件建立了数学模型。对直接碳燃料电池和内重整固体氧化燃料电池进行了比较研究。结果显示,前者具有优良的高负载输出性能,后者在低负载条件下表现较好。采用能量分析和Exergy分析方法对提出的能量转换体系进行了研究。两个体系的第二定律电效率分别达到52%和69%,第二定律热电联产效率分别超过70%和80%。讨论了废热进一步回收的可行性。理论上,以上体系可以实现80%的CO2减排。开发了一种新型的单组分液流储能电池有机电解质。采用循环伏安方法研究了电解质的阳极反应和阴极反应。结果表明V（II）/V（III）和V（III）/V（IV）氧化还原反应均是准可逆反应,同时,应用以上电解质的液流储能电池的开路电压为2.2 V。室温条件下,测试得到乙酰丙酮钒的扩散系数是1.8 - 2.9×10^-6 cm² s^-1。使用H-型静态电池测试了电解质的充放电性能,电池的库伦效率达到50%。