氫是(shi)元(yuan)素(su)周期(qi)表(biao)中原子序(xu)數(shu)為1的(de)第(di)一個元(yuan)素(su)，它也是(shi)宇(yu)宙中最(zui)(zui)輕、最(zui)(zui)豐富的(de)元(yuan)素(su)，占(zhan)所有物質(zhi)質(zhi)量百分(fen)比(bi)的(de)75%或體積百分(fen)比(bi)的(de)90%。在地球上，氫是(shi)與(yu)幾乎所有其他(ta)元(yuan)素(su)能(neng)形成化合(he)物的(de)。氫也作為自由(you)元(yuan)素(su)存(cun)在于大氣(qi)中，但小于1ppm(按照(zhao)體積容量計)。

氫(qing)(qing)的自由離子(zi)比氫(qing)(qing)分子(zi)更活潑(po)，氫(qing)(qing)分子(zi)是(shi)(shi)兩個氫(qing)(qing)原(yuan)子(zi)的非極性(xing)共價化(hua)合物(wu)。1776年(nian)(nian)(nian)，亨利·卡文迪什（Henry Cavendish ）發現氫(qing)(qing)是(shi)(shi)一(yi)種非常獨特的物(wu)質。7年(nian)(nian)(nian)后（1783年(nian)(nian)(nian)），拉瓦錫（Lavoisier）證明了水是(shi)(shi)由氫(qing)(qing)和氧組成的，并將其命名為(wei)“造水器/制水機（water maker’）”。

氫(qing)的(de)(de)標(biao)準原(yuan)子質量(liang)(liang)為1.0078225 u（u是一種常用的(de)(de)計(ji)量(liang)(liang)單位(wei)(wei)(wei),用于(yu)表示(shi)微觀(guan)粒子的(de)(de)質量(liang)(liang)。在實際應(ying)用中,u還可以用來表示(shi)分(fen)子或化(hua)合物的(de)(de)相對分(fen)子質量(liang)(liang)。），有三種自然(ran)存在的(de)(de)同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)。最常見(jian)的(de)(de)氫(qing)同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)是自然(ran)界中豐度超過99.98%的(de)(de)穩定的(de)(de)質子（1H，H）。氫(qing)第(di)二個同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)是1932年尤里（Urey. Deuterium）發現的(de)(de)穩定氘（2H，D）或重氫(qing)。氘的(de)(de)天然(ran)分(fen)數為0.014%，氘（D：2H）物理和(he)(he)化(hua)學性質與(yu)(yu)1H略(lve)有不同(tong)。天然(ran)氫(qing)中幾乎(hu)所有的(de)(de)D都與(yu)(yu)氫(qing)原(yuan)子結合，雙(shuang)原(yuan)子HD在天然(ran)氫(qing)中的(de)(de)分(fen)數為0.032%；分(fen)子氘（D）的(de)(de)存在幾乎(hu)不可能的(de)(de)。氫(qing)的(de)(de)第(di)三種同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)是放射性氚(chuan)（3H，T），半衰期為12.3a，由盧瑟(se)福(fu)（ Rutherford. ）于(yu)1934年發現。但(dan)同(tong)時也(ye)合成了短壽命同(tong)位(wei)(wei)(wei)素(su)4H、5H和(he)(he)7H。

氫(qing)氣(qi)每(mei)單位(wei)質量所含的能量比天(tian)然氣(qi)或汽油要多，這也使得它可(ke)能成為一種有吸引(yin)力的運輸燃料(見(jian)表1)。

表1：氫的物理性質

然(ran)(ran)而，由于它的(de)(de)分子(zi)量(liang)(liang)小(xiao)（氫是最輕的(de)(de)元素），重量(liang)(liang)輕，所以(yi)氫的(de)(de)單位體(ti)積(ji)能量(liang)(liang)密(mi)度(du)很低。這意(yi)味著與其他(ta)燃料(liao)相比(bi)，要獲得與其他(ta)燃料(liao)相同的(de)(de)能量(liang)(liang)，必須使用更(geng)(geng)大(da)的(de)(de)體(ti)積(ji)。當然(ran)(ran)可(ke)以(yi)透過使用更(geng)(geng)大(da)或更(geng)(geng)快流速的(de)(de)管道和更(geng)(geng)大(da)的(de)(de)儲罐。氫可(ke)以(yi)被壓縮、液化(hua)(hua)或轉化(hua)(hua)為具有更(geng)(geng)高能量(liang)(liang)密(mi)度(du)的(de)(de)氫基(ji)燃料(liao)，但這(以(yi)及(ji)隨后(hou)的(de)(de)任(ren)何再轉化(hua)(hua))會導致效(xiao)率方面的(de)(de)損失(shi)（能量(liang)(liang)形式的(de)(de)轉換都會伴(ban)隨效(xiao)率損失(shi)）。

在較寬的溫(wen)度(du)范(fan)圍(wei)內，甚至在高壓下(xia)(xia)(高達約10Mpa)，氫(qing)可以被認(ren)為(wei)是(shi)(shi)理(li)想(xiang)氣體。在標準溫(wen)度(du)和壓力（STP）條件下(xia)(xia)，它是(shi)(shi)一(yi)種無(wu)色、無(wu)臭、無(wu)味、無(wu)毒、無(wu)腐蝕性(xing)、非金屬(shu)的雙原子氣體，原則上(shang)對(dui)生理(li)沒有危(wei)險性(xing)。由于密度(du)低，氫(qing)必須被壓縮或液化。

氫氣(qi)(qi)在(zai)釋(shi)放時會迅速與周圍空氣(qi)(qi)混(hun)(hun)合(he)。擴散(san)(san)速度(du)與擴散(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)成正比，并根據(ju)乘積Tn隨(sui)溫度(du)變化，其中n在(zai)1.72–1.8范圍內。氫氣(qi)(qi)在(zai)空氣(qi)(qi)中的(de)擴散(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)是(shi)空氣(qi)(qi)在(zai)空氣(qi)(qi)中的(de)擴散(san)(san)系(xi)(xi)數(shu)的(de)4倍。上升(sheng)速度(du)取決(jue)于氫氣(qi)(qi)與空氣(qi)(qi)的(de)密度(du)差，也取決(jue)于阻力和摩擦(ca)力、上升(sheng)氣(qi)(qi)體體積的(de)形狀和大(da)(da)小以及大(da)(da)氣(qi)(qi)湍流(liu)，因此不能僅在(zai)浮力的(de)影響下直接(jie)確定，這(zhe)在(zai)非密閉區域具有良好的(de)安全(quan)效果，但在(zai)氫氣(qi)(qi)積聚的(de)密閉空間會造成危險(xian)情(qing)況。浮力和擴散(san)(san)混(hun)(hun)合(he)決(jue)定了(le)氣(qi)(qi)體與周圍空氣(qi)(qi)混(hun)(hun)合(he)的(de)速率。氫氣(qi)(qi)與空氣(qi)(qi)的(de)快(kuai)速混(hun)(hun)合(he)引(yin)起了(le)安全(quan)問題，因為它很容易產生可燃混(hun)(hun)合(he)物，但很快(kuai)就會稀釋(shi)到不可燃的(de)范圍。

由(you)于體積小、分子量(liang)小、粘度低，氫氣的釋放(fang)速度比其他氣體更(geng)快會是一個問題。也(ye)可(ke)能通過完整(zheng)（無(wu)破(po)損）的材料實現少量(liang)的擴(kuo)散(san)，并導致氣體在密閉空間內積聚。與(yu)水相比，氫氣的泄漏(lou)率高出(chu) 50 倍，與(yu)氮氣相比高出(chu) 10 倍。為(wei)了檢測泄漏(lou)，可(ke)以添加著(zhu)色(se)劑，但不能適用所有(you)情況，尤其液化氫。

溶解在(zai)(zai)液(ye)體中(zhong)的氫(qing)可以滲(shen)透到(dao)鄰近的容器材料中(zhong)。在(zai)(zai)高溫高壓下(xia)，氫(qing)會使低碳鋼脫碳和變脆(cui)。在(zai)(zai)任(ren)何涉及在(zai)(zai)壓力下(xia)儲存或運輸氫(qing)氣的情況下(xia)，氫(qing)脆(cui)會是一個嚴重的問題。需要選擇適當的材料，以防(fang)止氫(qing)脆(cui)。

根據溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，氫(qing)以(yi)兩種不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)形式(shi)存在：正(zheng)(zheng)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)(ortho：核自(zi)(zi)旋(xuan)方向(xiang)一致)和對(dui)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)( para：自(zi)(zi)旋(xuan)方向(xiang)相反)。在室(shi)溫(wen)下(xia)，氫(qing)是(shi)(shi)75%的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)和25%的(de)(de)(de)對(dui)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)共(gong)存。在80K以(yi)上，氫(qing)是(shi)(shi)以(yi)更穩(wen)定(ding)的(de)(de)(de)形式(shi)存在。在20K時，熱平衡濃(nong)度(du)(du)為99.821% 對(dui)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)和0.179%的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)。在3-4天的(de)(de)(de)過渡(du)期間(jian)發生，直到(dao)達(da)到(dao)一個(ge)新的(de)(de)(de)平衡狀態(tai)。磁性雜質和低氧濃(nong)度(du)(du)都能催化(hua)正(zheng)(zheng)對(dui)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)的(de)(de)(de)轉化(hua)，使得轉化(hua)速率從幾個(ge)數量(liang)級提高(gao)到(dao)幾個(ge)小時。任(ren)何濃(nong)度(du)(du)的(de)(de)(de)自(zi)(zi)旋(xuan)態(tai)都可以(yi)在催化(hua)劑的(de)(de)(de)幫(bang)助(zhu)下(xia)在任(ren)何溫(wen)度(du)(du)下(xia)產生。兩種自(zi)(zi)旋(xuan)態(tai)的(de)(de)(de)性質并沒有太大的(de)(de)(de)區別(bie)，但區別(bie)在于(yu)兩種自(zi)(zi)旋(xuan)態(tai)之間(jian)的(de)(de)(de)能量(liang)差(cha)異(yi)，這就(jiu)帶(dai)來了比熱和導熱系數的(de)(de)(de)差(cha)異(yi)。自(zi)(zi)由氫(qing)原子和離子在輻射場的(de)(de)(de)存在下(xia)產生，它們在重新組(zu)合(he)之前(qian)就(jiu)像催化(hua)劑一樣。重新組(zu)合(he)會產生過量(liang)的(de)(de)(de)正(zheng)(zheng)位(wei)(wei)(wei)氫(qing)。

在193 K以上(shang)的氫表(biao)現出積極的湯(tang)普森-焦耳（Thompson-Joule ）效應：氫氣(qi)的溫度在減壓后(hou)升高(gao)(gao)，這(zhe)可(ke)能引(yin)起(qi)點火，但自燃的可(ke)能性很小，僅僅是通過(guo)(guo)這(zhe)種效應，因為在減壓或高(gao)(gao)溫下自燃過(guo)(guo)程中灰塵顆粒會帶靜電，這(zhe)使得爆炸(zha)可(ke)能發生。

液態氫(qing)(LH2)需要(yao)其三分之一的(de)(de)燃燒熱(re)(re)（能(neng)量）來液化，但液氫(qing)具(ju)有極高純度(du)的(de)(de)優點(dian)，并且在一定條件下也是具(ju)有經(jing)濟性的(de)(de)儲(chu)存(cun)和分配方式。為(wei)了保(bao)持儲(chu)罐的(de)(de)溫度(du)，但蒸(zheng)發(fa)損失是不可避免的(de)(de)。當儲(chu)存(cun)正(zheng)位氫(qing)時，其蒸(zheng)發(fa)速率會更(geng)快(kuai)。當處于20K溫度(du)時的(de)(de)正(zheng)對位轉化釋放出670 kJ/kg，與(yu)相(xiang)同溫度(du)下蒸(zheng)發(fa)潛熱(re)(re)的(de)(de)446 kJ/kg相(xiang)比是巨(ju)大的(de)(de)。這意味著需要(yao)一種氫(qing)回(hui)路的(de)(de)設計，可以(yi)以(yi)一種安全(quan)的(de)(de)方式去除轉化熱(re)(re)。

冷氫氣比環境氣體揮(hui)發性小，當(dang)存在露天LH2池時，需要考(kao)慮形(xing)成(cheng)可燃混(hun)合(he)物(wu)的(de)可能(neng)性較大。由于空氣成(cheng)分的(de)凝(ning)結和(he)凝(ning)固，LH2迅速污染自身，這給特定區域帶(dai)來了大量的(de)氧(yang)氣，并形(xing)成(cheng)了沖(chong)擊波爆炸混(hun)合(he)物(wu)。當(dang)LH2被加(jia)熱(re)到環境條件時，在密閉區域內體積增加(jia)845倍會產生額外的(de)危害。在密閉空間中，最(zui)終壓力(li)可上升到172Mpa，使系(xi)統過壓而發生爆炸。

溫(wen)度降到沸點以(yi)下(xia)會產生液態(tai)和(he)固態(tai)的氫混合物或泥(ni)氫(SLH2)。由于固態(tai)氫融化和(he)吸(xi)收熱(re)量(liang)，泥(ni)漿狀態(tai)的氫具有(you)更高(gao)密度和(he)延(yan)長冷凍劑(ji)儲存時(shi)間的優點。當(dang)蒸(zheng)汽壓(ya)(ya)降至(zhi)大氣壓(ya)(ya)力(li)以(yi)下(xia)時(shi)（形成外壓(ya)(ya)壓(ya)(ya)力(li)內部壓(ya)(ya)力(li)的形式），必須(xu)考慮(lv)采用防止空氣進入的系統。當(dang)固體氫形成時(shi)，釋放的熱(re)量(liang)會導致對氫轉化。

當溫度為13.8 K，壓力為7.2 kPa時，三(san)相(xiang)均(jun)能處于(yu)平衡狀態，即三(san)相(xiang)點(如圖1)。

圖1：氫狀態圖

如果氫保持(chi)在(zai)(zai)臨界(jie)(jie)(jie)溫(wen)度(du)(du)(du)和壓力以上(shang)，就會(hui)形成單相(xiang)：超臨界(jie)(jie)(jie)流(liu)體。它(ta)是氣(qi)體狀的(de)(de)(de)(de)(de)且它(ta)是可(ke)壓縮的(de)(de)(de)(de)(de)；而它(ta)是液(ye)(ye)體狀的(de)(de)(de)(de)(de)，因為密(mi)度(du)(du)(du)相(xiang)當(dang)，兩者之間有(you)(you)一(yi)個(ge)過(guo)渡狀態，其特征(zheng)是強烈的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構波(bo)動，導致(zhi)在(zai)(zai)臨界(jie)(jie)(jie)點附近流(liu)體性質具有(you)(you)非(fei)比尋常的(de)(de)(de)(de)(de)行為。與液(ye)(ye)體相(xiang)比，它(ta)具有(you)(you)更高的(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)速。在(zai)(zai)超臨界(jie)(jie)(jie)狀態下(xia)，低(di)溫(wen)氫的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)物理性質與溫(wen)度(du)(du)(du)和壓力有(you)(you)很大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系，在(zai)(zai)臨界(jie)(jie)(jie)區域附近變化很大(da)。在(zai)(zai)擬臨界(jie)(jie)(jie)溫(wen)度(du)(du)(du)下(xia)，Cp有(you)(you)一(yi)個(ge)極大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)尖峰(feng)現(xian)象。由于其黏度(du)(du)(du)對(dui)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)依(yi)賴性，超臨界(jie)(jie)(jie)氫可(ke)能(neng)經(jing)歷湍(tuan)流(liu)到層流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)轉變。在(zai)(zai)過(guo)渡狀態下(xia)傳熱(re)系數是不(bu)可(ke)預測的(de)(de)(de)(de)(de)，而在(zai)(zai)層流(liu)狀態下(xia)傳熱(re)系數要低(di)得(de)多(duo)。

氫(qing)在(zai)(zai)壓(ya)力為(wei)(wei)2~3 ×圖片MPa，溫(wen)度約為(wei)(wei)4400 K時，會形成(cheng)金屬氫(qing)的過渡相，在(zai)(zai)室溫(wen)下可能(neng)具有超(chao)導(dao)性。這種早在(zai)(zai)1935年就預測到(dao)的效應，最終在(zai)(zai)1996年的沖擊壓(ya)縮試驗(yan)中得到(dao)了證實。金屬氫(qing)被認為(wei)(wei)存在(zai)(zai)于土星(xing)(xing)和木星(xing)(xing)內部(bu)，但(dan)迄今為(wei)(wei)止在(zai)(zai)地球(qiu)上還沒有實際應用。氣態和液態氫(qing)都是(shi)絕緣體，但(dan)在(zai)(zai)臨界“擊穿”電(dian)(dian)壓(ya)以(yi)上，它由于電(dian)(dian)離而成(cheng)為(wei)(wei)電(dian)(dian)導(dao)體。

氫氣密度隨溫度和壓力的(de)變(bian)化如下圖2所示。

圖2：不同(tong)溫度和(he)壓力條件下的氫(qing)氣密(mi)度

在正(zheng)常情況下(xia)，氫(qing)氣(qi)(qi)是一種無(wu)色、無(wu)味、無(wu)毒(du)的氣(qi)(qi)體(ti)。在NTP（標準(zhun)溫度(du)壓力）下(xia)，氣(qi)(qi)態(tai)氫(qing)的密(mi)(mi)度(du)僅為0.089 g/l。在其沸(fei)點(dian)-252.76°C (1atm)以下(xia)，氫(qing)以液(ye)態(tai)存在。液(ye)態(tai)氫(qing)的密(mi)(mi)度(du)為70.79 g/l(在沸(fei)點(dian)1atm時)。液(ye)化使氫(qing)的密(mi)(mi)度(du)增加約800倍。

氫(qing)(qing)的特征是負的焦(jiao)耳(er)-湯(tang)普(pu)遜(xun)系數。由(you)于氫(qing)(qing)在達(da)到反轉(zhuan)溫度(du)(71°C)時(shi)從較(jiao)高(gao)壓力(li)轉(zhuan)換到較(jiao)低壓力(li)時(shi)溫度(du)會(hui)升高(gao)，從該溫度(du)開(kai)始(shi)氫(qing)(qing)表現出正常(chang)的焦(jiao)耳(er)-湯(tang)普(pu)森系數。通常(chang)，氣體(ti)的液化利用焦(jiao)耳(er)-湯(tang)姆遜(xun)效應。

氫(qing)與其(qi)他能源載體一樣，在大規模使用時存(cun)在安(an)全和(he)健康等方面(mian)的(de)(de)(de)風險。也是(shi)因為它(ta)(ta)的(de)(de)(de)分子大小和(he)重量，所(suo)以它(ta)(ta)需要特殊(shu)的(de)(de)(de)設備和(he)管理程序來處(chu)理；事實上，氫(qing)氣分子量是(shi)如此之(zhi)小，以至于(yu)它(ta)(ta)可(ke)以擴(kuo)散到一些材料(liao)中，這會增加材料(liao)失效(xiao)的(de)(de)(de)幾率，或者氫(qing)氣會通過密封件和(he)管道逃逸。氫(qing)氣是(shi)無(wu)毒氣體，但(dan)它(ta)(ta)是(shi)可(ke)燃的(de)(de)(de)，由于(yu)它(ta)(ta)的(de)(de)(de)點火(huo)范圍寬(kuan)，點火(huo)能量低，但(dan)由于(yu)它(ta)(ta)的(de)(de)(de)浮力和(he)擴(kuo)散性，導致耗散迅速，所(suo)以可(ke)以緩解。它(ta)(ta)的(de)(de)(de)火(huo)焰(yan)是(shi)無(wu)色無(wu)味的(de)(de)(de)，導致人們很難發(fa)現火(huo)災(zai)和(he)泄(xie)漏。