氢是元素周期表中原子序数为1的第一个元素，它也是宇宙中最轻、最丰富的元素，占所有物质质量百分比的75%或体积百分比的90%。在地球上，氢是与几乎所有其他元素能形成化合物的。氢也作为自由元素存在于大气中，但小于1ppm(按照体积容量计)。

氢的自由离子比氢分子更活泼，氢分子是两个氢原子的非极性共价化合物。1776年，亨利·卡文迪什（Henry Cavendish ）发现氢是一种非常独特的物质。7年后（1783年），拉瓦锡（Lavoisier）证明了水是由氢和氧组成的，并将其命名为“造水器/制水机（water maker’）”。

氢的标准原子质量为1.0078225 u（u是一种常用的计量单位,用于表示微观粒子的质量。在实际应用中,u还可以用来表示分子或化合物的相对分子质量。），有三种自然存在的同位素。最常见的氢同位素是自然界中丰度超过99.98%的稳定的质子（1H，H）。氢第二个同位素是1932年尤里（Urey. Deuterium）发现的稳定氘（2H，D）或重氢。氘的天然分数为0.014%，氘（D：2H）物理和化学性质与1H略有不同。天然氢中几乎所有的D都与氢原子结合，双原子HD在天然氢中的分数为0.032%；分子氘（D）的存在几乎不可能的。氢的第三种同位素是放射性氚（3H，T），半衰期为12.3a，由卢瑟福（ Rutherford. ）于1934年发现。但同时也合成了短寿命同位素4H、5H和7H。

氢气每单位质量所含的能量比天然气或汽油要多，这也使得它可能成为一种有吸引力的运输燃料(见表1)。

表1：氢的物理性质

然而，由于它的分子量小（氢是最轻的元素），重量轻，所以氢的单位体积能量密度很低。这意味着与其他燃料相比，要获得与其他燃料相同的能量，必须使用更大的体积。当然可以透过使用更大或更快流速的管道和更大的储罐。氢可以被压缩、液化或转化为具有更高能量密度的氢基燃料，但这(以及随后的任何再转化)会导致效率方面的损失（能量形式的转换都会伴随效率损失）。

在较宽的温度范围内，甚至在高压下(高达约10Mpa)，氢可以被认为是理想气体。在标准温度和压力（STP）条件下，它是一种无色、无臭、无味、无毒、无腐蚀性、非金属的双原子气体，原则上对生理没有危险性。由于密度低，氢必须被压缩或液化。

氢气在释放时会迅速与周围空气混合。扩散速度与扩散系数成正比，并根据乘积Tn随温度变化，其中n在1.72–1.8范围内。氢气在空气中的扩散系数是空气在空气中的扩散系数的4倍。上升速度取决于氢气与空气的密度差，也取决于阻力和摩擦力、上升气体体积的形状和大小以及大气湍流，因此不能仅在浮力的影响下直接确定，这在非密闭区域具有良好的安全效果，但在氢气积聚的密闭空间会造成危险情况。浮力和扩散混合决定了气体与周围空气混合的速率。氢气与空气的快速混合引起了安全问题，因为它很容易产生可燃混合物，但很快就会稀释到不可燃的范围。

由于体积小、分子量小、粘度低，氢气的释放速度比其他气体更快会是一个问题。也可能通过完整（无破损）的材料实现少量的扩散，并导致气体在密闭空间内积聚。与水相比，氢气的泄漏率高出 50 倍，与氮气相比高出 10 倍。为了检测泄漏，可以添加着色剂，但不能适用所有情况，尤其液化氢。

溶解在液体中的氢可以渗透到邻近的容器材料中。在高温高压下，氢会使低碳钢脱碳和变脆。在任何涉及在压力下储存或运输氢气的情况下，氢脆会是一个严重的问题。需要选择适当的材料，以防止氢脆。

根据温度的不同，氢以两种不同的形式存在：正位氢(ortho：核自旋方向一致)和对位氢( para：自旋方向相反)。在室温下，氢是75%的正位氢和25%的对位氢共存。在80K以上，氢是以更稳定的形式存在。在20K时，热平衡浓度为99.821% 对位氢和0.179%的正位氢。在3-4天的过渡期间发生，直到达到一个新的平衡状态。磁性杂质和低氧浓度都能催化正对位氢的转化，使得转化速率从几个数量级提高到几个小时。任何浓度的自旋态都可以在催化剂的帮助下在任何温度下产生。两种自旋态的性质并没有太大的区别，但区别在于两种自旋态之间的能量差异，这就带来了比热和导热系数的差异。自由氢原子和离子在辐射场的存在下产生，它们在重新组合之前就像催化剂一样。重新组合会产生过量的正位氢。

在193 K以上的氢表现出积极的汤普森-焦耳（Thompson-Joule ）效应：氢气的温度在减压后升高，这可能引起点火，但自燃的可能性很小，仅仅是通过这种效应，因为在减压或高温下自燃过程中灰尘颗粒会带静电，这使得爆炸可能发生。

液态氢(LH2)需要其三分之一的燃烧热（能量）来液化，但液氢具有极高纯度的优点，并且在一定条件下也是具有经济性的储存和分配方式。为了保持储罐的温度，但蒸发损失是不可避免的。当储存正位氢时，其蒸发速率会更快。当处于20K温度时的正对位转化释放出670 kJ/kg，与相同温度下蒸发潜热的446 kJ/kg相比是巨大的。这意味着需要一种氢回路的设计，可以以一种安全的方式去除转化热。

冷氢气比环境气体挥发性小，当存在露天LH2池时，需要考虑形成可燃混合物的可能性较大。由于空气成分的凝结和凝固，LH2迅速污染自身，这给特定区域带来了大量的氧气，并形成了冲击波爆炸混合物。当LH2被加热到环境条件时，在密闭区域内体积增加845倍会产生额外的危害。在密闭空间中，最终压力可上升到172Mpa，使系统过压而发生爆炸。

温度降到沸点以下会产生液态和固态的氢混合物或泥氢(SLH2)。由于固态氢融化和吸收热量，泥浆状态的氢具有更高密度和延长冷冻剂储存时间的优点。当蒸汽压降至大气压力以下时（形成外压压力内部压力的形式），必须考虑采用防止空气进入的系统。当固体氢形成时，释放的热量会导致对氢转化。

当温度为13.8 K，压力为7.2 kPa时，三相均能处于平衡状态，即三相点(如图1)。

图1：氢状态图

如果氢保持在临界温度和压力以上，就会形成单相：超临界流体。它是气体状的且它是可压缩的；而它是液体状的，因为密度相当，两者之间有一个过渡状态，其特征是强烈的结构波动，导致在临界点附近流体性质具有非比寻常的行为。与液体相比，它具有更高的流速。在超临界状态下，低温氢的热物理性质与温度和压力有很大的关系，在临界区域附近变化很大。在拟临界温度下，Cp有一个极大的热尖峰现象。由于其黏度对温度的依赖性，超临界氢可能经历湍流到层流的转变。在过渡状态下传热系数是不可预测的，而在层流状态下传热系数要低得多。

氢在压力为2~3 ×图片MPa，温度约为4400 K时，会形成金属氢的过渡相，在室温下可能具有超导性。这种早在1935年就预测到的效应，最终在1996年的冲击压缩试验中得到了证实。金属氢被认为存在于土星和木星内部，但迄今为止在地球上还没有实际应用。气态和液态氢都是绝缘体，但在临界“击穿”电压以上，它由于电离而成为电导体。

氢气密度随温度和压力的变化如下图2所示。

图2：不同温度和压力条件下的氢气密度

在正常情况下，氢气是一种无色、无味、无毒的气体。在NTP（标准温度压力）下，气态氢的密度仅为0.089 g/l。在其沸点-252.76°C (1atm)以下，氢以液态存在。液态氢的密度为70.79 g/l(在沸点1atm时)。液化使氢的密度增加约800倍。

氢的特征是负的焦耳-汤普逊系数。由于氢在达到反转温度(71°C)时从较高压力转换到较低压力时温度会升高，从该温度开始氢表现出正常的焦耳-汤普森系数。通常，气体的液化利用焦耳-汤姆逊效应。

氢与其他能源载体一样，在大规模使用时存在安全和健康等方面的风险。也是因为它的分子大小和重量，所以它需要特殊的设备和管理程序来处理；事实上，氢气分子量是如此之小，以至于它可以扩散到一些材料中，这会增加材料失效的几率，或者氢气会通过密封件和管道逃逸。氢气是无毒气体，但它是可燃的，由于它的点火范围宽，点火能量低，但由于它的浮力和扩散性，导致耗散迅速，所以可以缓解。它的火焰是无色无味的，导致人们很难发现火灾和泄漏。