[目的]质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统在可变负载下的性能退化是制约其应用可靠性与经济性的关键瓶颈,而传统电气模型难以揭示多物理场动态交互机制,为解决该问题,[方法]提出一种基于阳极引射器循环的船用大功率PEMFC系统结构,并构建系统“热-电-气-液”多物理场动力学模型,开展考虑热动力性与经济性的动态耦合特性分析。借助基于Spearman相关系数的相关性分析工具对不同运行参数下的系统性能指标的响应趋势进行探索。针对系统多约束优化难题,提出一种基于人工神经网络与多目标灰狼优化算法的多约束优化框架,以获取PEMFC系统的最佳运行参数与最佳综合性能。[结果]研究结果表明：最佳操作点下的PEMFC系统净功率提高2.71%,且运营成本降低12.21%。[结论]研究结果可为船用大功率PEMFC系统的热动力性-经济性协同设计提供一定参考。