I am enclosing an application form, which I should be grateful if you would sign and return.

分析：你说的没错，这里的 which 是引导非限制性定语从句。which的先行词是an application form，这个 which 在从句中作动词 sign and return 的宾语。

句意：我随信附去一张申请表，如果您能在上面签字后寄回来，我会非常感激。