自然过程都是不可逆过程,有限时间热力学是研究包含不可逆过程热力学系统性能的一个重要理论。人们基于该理论,可以构建更为实际的热力学模型,探究其中各种热力学参数在有限时间或有限尺度约束下的变化规律,导出更有应用价值的理论结果。有限时间热力学理论所特有的分析方法对研究各类能量转换系统的性能特性,优化设计系统相关参数也有着重要帮助。因此,有限时间热力学成为了现代热力学的一个重要理论分支,被广泛应用于国防、经济、能源技术、工农业生产、化工等研究领域。另一方面,随着科学技术的不断革新与人类社会的迅猛发展,能源问题和环境污染日趋严峻。人们为了解决这些问题提出了各种各样的方法,其中最关键的一点便是提高能源的利用率。所以,寻找更高效的能量转换系统、探索减少能量损失的可能途径、发现性能更好的材料等也成为了目前各研究领域的热点课题。本论文将应用有限时间热力学理论的分析方法开展进一步的研究,探究弱耗散广义卡诺循环和熔融碳酸盐燃料电池耦合系统这两个能量转换系统在不可逆过程影响下的热力学性能,优化分析它们的性能参数,并得到具体的优化准则,建立相应的优化理论。主要的研究内容可分为以下两个部分:第一部分是基于弱耗散假设的广义卡诺循环的性能研究。通过考虑高、低势能库间的能量漏损失,得到该循环的功率输出和效率的理论表达式。应用拉格朗日不定乘子法,推导出功率输出和效率间的优化关系,由此作图分析循环的性能特性,确定其最佳工作区间与性能极限。在一些极限情况下,可进一步得到循环功率输出和效率在最大功率输出点和最大效率点的解析表达式。利用该广义模型得到的结论不但可包括之前的研究成果,还可直接用于讨论其他类型弱耗散模型的优化性能。第二部分是耦合真空热离子发电器的新型熔融碳酸盐燃料电池系统的性能研究。通过考虑系统的传热不可逆损失,由能量平衡方程推导出熔融碳酸盐燃料电池的电流密度、真空热离子的输出电压和子系统间面积匹配的关系式,讨论这些参数对耦合系统功率输出和效率的影响,确定相关参数的最佳取值范围以及系统的最佳工作区间。结果表明,这种新型的熔融碳酸盐燃料电池耦合系统对单个电池的最大功率输出百分比提升可达33%,其性能优于现有文献中报告的其他熔融碳酸盐燃料电池耦合系统。本论文的研究内容不但丰富了有限时间热力学理论,而且构建了新的燃料电池耦合模型。所得的结论可指导相关实际系统的优化设计与最佳运行。对于提高能量利用率及开发新型低碳、环保的能量转换装置也有理论指导意义。