本发明涉及可再生空间科学技术领域，具体公开了一种基于超级电容储能的光伏电解燃料电池能源转化系统及工作方法，包括光伏发电系统、PEM电解槽模块、超级电容模块、氢氧气储存模块和燃料电池模块，光伏发电系统与超级电容模块、PEM电解槽模块均电性连接，用于分别向超级电容模块和PEM电解槽模块供电；PEM电解槽模块通过管道连接氢氧气储存模块，PEM电解槽模块电解水产生的氢气和氧气输送至氢氧气储存模块；氢氧气储存模块分别连接燃料电池模块和燃料动力推进系统，用于分别向燃料电池模块和燃料动力推进系统提供由氢气和氧气构成的燃料；超级电容和燃料电池模块均连接负载，为负载提供电能。