हाइड्रोजन सबसे सरल रासायनिक तत्व है : इसके नाभिक में एक एकल प्रोटॉन होता है और इसके परमाणु में केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है। डाइहाइड्रोजन (H2) का अणु दो हाइड्रोजन परमाणुओं से बना होता है।
हाइड्रोजन का उपयोग आमतौर पर डाइहाइड्रोजन को संदर्भित करने के लिए किया जाता है।

1 किलो हाइड्रोजन जलाने से 1 किलो गैसोलीन की तुलना में लगभग 4 गुना अधिक ऊर्जा निकलती है और केवल पानी पैदा होता है :

2 एच 2 + ओ 2 -> 2 एच 2 ओ

हाइड्रोजन पृथ्वी की सतह पर बहुत प्रचुर मात्रा में है लेकिन इसकी शुद्ध अवस्था में मौजूद नहीं है। यह हमेशा पानी और हाइड्रोकार्बन जैसे अणुओं में अन्य रासायनिक तत्वों से बंधा होता है। जीवित जीव (जानवर या पौधे) भी हाइड्रोजन से बने होते हैं।
इसलिए बायोमास हाइड्रोजन का एक अन्य संभावित स्रोत है।

हाइड्रोकार्बन, बायोमास और पानी जैसे इन प्राथमिक संसाधनों से हाइड्रोजन निकालने के लिए ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता होती है।
हाइड्रोजन लगभग अटूट हो सकता है, बशर्ते कि इसे प्रतिस्पर्धी लागत पर और कम कार्बन ऊर्जा (परमाणु और नवीकरणीय) से पर्याप्त मात्रा में उत्पादित किया जा सके।
हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियां हाइड्रोजन का उत्पादन करने, इसे स्टोर करने और ऊर्जा उद्देश्यों के लिए परिवर्तित करने के लिए अध्ययन की गई तकनीकों का समूह हैं।

हाइड्रोजन का उत्पादन करने के कई मौजूदा तरीके हैं, जिनमें से प्रत्येक लागत, ऊर्जा दक्षता, पर्यावरणीय प्रभाव के मामले में अपने फायदे और नुकसान के साथ है :

जल इलेक्ट्रोलिसिस :
जल इलेक्ट्रोलिसिस एक ऐसी प्रक्रिया है जो पानी (H2O) को हाइड्रोजन (H2) और ऑक्सीजन (O2) में तोड़ने के लिए बिजली का उपयोग करती है। इलेक्ट्रोलिसिस के दो मुख्य प्रकार हैं : क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस और प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (पीईएम) इलेक्ट्रोलिसिस। जल इलेक्ट्रोलिसिस को सौर या पवन ऊर्जा जैसे नवीकरणीय स्रोतों से बिजली द्वारा संचालित किया जा सकता है, जिससे यह हाइड्रोजन उत्पादन का पर्यावरण के अनुकूल तरीका बन जाता है।

मीथेन भाप सुधार :
स्टीम मीथेन सुधार एक रासायनिक प्रक्रिया है जो मीथेन (CH4) का उपयोग करती है, आमतौर पर प्राकृतिक गैस के रूप में, हाइड्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) का उत्पादन करने के लिए। हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए रासायनिक उद्योग में आमतौर पर इस प्रक्रिया का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है। हालांकि, यह CO2 का भी उत्सर्जन करता है, जिससे यह पानी के इलेक्ट्रोलिसिस की तुलना में हाइड्रोजन उत्पादन का कम पर्यावरण के अनुकूल तरीका बन जाता है।

बायोमास गैसीकरण :
बायोमास गैसीकरण एक ऐसी प्रक्रिया है जो कार्बनिक पदार्थों को सिनगैस में परिवर्तित करती है, जिसे बाद में हाइड्रोजन में परिवर्तित किया जा सकता है। यह विधि कृषि, वानिकी या शहरी कचरे को फीडस्टॉक के रूप में उपयोग करती है, इस प्रकार अक्षय और टिकाऊ स्रोतों से हाइड्रोजन के उत्पादन की संभावना प्रदान करती है।

जल पायरोलिसिस :
जल पायरोलिसिस एक थर्मोकेमिकल प्रक्रिया है जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में तोड़ने के लिए गर्मी का उपयोग करती है। जबकि यह विधि ऊर्जा दक्षता के मामले में कुशल हो सकती है, इसके लिए उच्च तापमान और विशिष्ट परिस्थितियों की आवश्यकता होती है, जो इसे लागू करने के लिए और अधिक जटिल बना सकती है।

सौर फोटोइलेक्ट्रोलिसिस :
सौर फोटोइलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन के उत्पादन की एक विधि है जो सूर्य के प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करने के लिए सौर कोशिकाओं का उपयोग करती है, जिसका उपयोग तब पानी की इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया को शक्ति देने के लिए किया जाता है। यह विधि बिजली के नवीकरणीय स्रोत के रूप में सौर ऊर्जा का उपयोग करती है, लेकिन इसे सौर कोशिकाओं की दक्षता और संबंधित लागतों द्वारा सीमित किया जा सकता है।

हाइड्रोजन भंडारण एक स्वच्छ और बहुमुखी ऊर्जा वाहक के रूप में अपनी क्षमता के कारण अनुसंधान और विकास का एक सक्रिय क्षेत्र है। हाइड्रोजन को स्टोर करने के कुछ मौजूदा तरीके यहां दिए गए हैं :

गैस संपीड़न :
हाइड्रोजन को प्रबलित बेलनाकार टैंकों में उच्च दबाव पर संपीड़ित गैसीय रूप में संग्रहीत किया जा सकता है। उच्च दबाव भंडारण टैंक उच्च दबाव का सामना करने के लिए स्टील या मिश्रित सामग्री से बने हो सकते हैं। हालांकि, उच्च दबाव पर हाइड्रोजन को संपीड़ित करने के लिए विशिष्ट बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है और इससे ऊर्जा का नुकसान हो सकता है।

द्रवीकरण :
उच्च ऊर्जा घनत्व भंडारण के लिए हाइड्रोजन को बहुत कम तापमान (-253 डिग्री सेल्सियस से नीचे) तक ठंडा और द्रवीभूत किया जा सकता है। तरल रूप में भंडारण हाइड्रोजन द्वारा कब्जा कर लिया मात्रा को कम करता है, लेकिन द्रवीकरण प्रक्रिया के दौरान महंगे शीतलन उपकरण और महत्वपूर्ण ऊर्जा नुकसान की आवश्यकता होती है।

ठोस पदार्थों पर सोखना :
हाइड्रोजन को एक छिद्रपूर्ण संरचना के साथ ठोस पदार्थों पर सोखना हो सकता है, जैसे सक्रिय कार्बन, जिओलाइट्स, झरझरा कार्बनिक धातु (एमओएफ), या कार्बनिक-अकार्बनिक संकर सामग्री। इन सामग्रियों का एक बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र होता है और मध्यम दबाव और परिवेश के तापमान पर हाइड्रोजन को सोख सकता है। हालांकि, हाइड्रोजन सोखना प्रतिवर्ती हो सकता है लेकिन विशोषण के लिए उच्च दबाव की आवश्यकता होती है।

रासायनिक भंडारण :
हाइड्रोजन को रासायनिक यौगिकों के रूप में संग्रहीत किया जा सकता है जो इसे टूटने पर छोड़ देते हैं। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन को धातु हाइड्राइड या कार्बनिक हाइड्राइड जैसे कार्बनिक यौगिकों के रूप में संग्रहीत किया जा सकता है। हाइड्रोजन की रिहाई को हीटिंग, कटैलिसीस या अन्य तरीकों से ट्रिगर किया जा सकता है। हालांकि, तापमान, दबाव और सामग्री पुनर्जनन के संदर्भ में रासायनिक भंडारण प्रणालियों की विशिष्ट आवश्यकताएं हो सकती हैं।

भूमिगत भंडारण :
हाइड्रोजन को उपयुक्त भूवैज्ञानिक संरचनाओं जैसे खारा जलभृत, प्राकृतिक गुहाओं या झरझरा जलाशयों में भूमिगत संग्रहीत किया जा सकता है। भूमिगत भंडारण एक बड़ी भंडारण क्षमता प्रदान करता है और सुरक्षा और बुनियादी ढांचे के जोखिमों को कम कर सकता है। हालांकि, इसके लिए उपयुक्त भूवैज्ञानिक स्थलों और सुरक्षित और विश्वसनीय भंडारण तकनीकों की आवश्यकता होती है।

हाइड्रोजन की अनूठी विशेषताओं के कारण विभिन्न क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, जिसमें इसकी बहुमुखी प्रतिभा, नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों से उत्पादित होने पर स्वच्छता और ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने की इसकी क्षमता शामिल है। हाइड्रोजन के कुछ संभावित अनुप्रयोगों में शामिल हैं :

स्वच्छ गतिशीलता :
हाइड्रोजन वाहन, जैसे ईंधन सेल

PEMFC ईंधन सेल

PEMFCs एक बहुलक झिल्ली का उपयोग करते हैं। ईंधन कोशिकाओं के विभिन्न प्रकार प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC) :

कार, बस, ट्रक और ट्रेन, आंतरिक दहन इंजन वाहनों के लिए एक स्वच्छ विकल्प प्रदान करते हैं। वे हवा से ऑक्सीजन के साथ हाइड्रोजन के संयोजन से बिजली उत्पन्न करते हैं, केवल पानी और गर्मी को उप-उत्पादों के रूप में उत्पन्न करते हैं, वायु प्रदूषकों और ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन को कम करते हैं।

ऊर्जा भंडारण :
हाइड्रोजन का उपयोग बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के साधन के रूप में किया जा सकता है, जिसमें सौर और पवन ऊर्जा जैसे आंतरायिक नवीकरणीय स्रोतों द्वारा उत्पादित ऊर्जा को स्टोर करना शामिल है। अतिरिक्त बिजली का उपयोग पानी के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है और फिर ईंधन या ऊर्जा स्रोत के रूप में बाद में उपयोग के लिए संग्रहीत किया जा सकता है।

औद्योगिक उत्पादन :
अमोनिया के उत्पादन के लिए रासायनिक उद्योग में हाइड्रोजन का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जिसका उपयोग उर्वरकों के निर्माण में किया जाता है, साथ ही मेथनॉल, क्लोरीनयुक्त हाइड्रोजन और हाइड्रोकार्बन सहित विभिन्न रसायनों के उत्पादन में भी किया जाता है। इसका उपयोग स्टील और अन्य धातुओं के उत्पादन में कम करने वाले एजेंट के रूप में भी किया जा सकता है।

बिजली उत्पादन :
हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग स्थिर और मोबाइल अनुप्रयोगों दोनों के लिए स्वच्छ और कुशल तरीके से बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। उनका उपयोग वाणिज्यिक और आवासीय भवनों में बिजली के बैकअप स्रोत के रूप में या बिजली के प्राथमिक स्रोत के रूप में किया जाता है। उनका उपयोग पीक डिमांड अवधि के दौरान पावर ग्रिड को बिजली की आपूर्ति के लिए भी किया जा सकता है।

के आसपासआवासीय और वाणिज्यिक हीटिंग :
हाइड्रोजन का उपयोग आवासीय और वाणिज्यिक हीटिंग के लिए ईंधन के रूप में किया जा सकता है, प्राकृतिक गैस या ईंधन तेल की जगह। हाइड्रोजन बॉयलर विकसित किए जा रहे हैं और इमारतों को गर्म करने के लिए कम कार्बन विकल्प प्रदान कर सकते हैं।

अंतरिक्ष अनुप्रयोग :
अंतरिक्ष उद्योग में, हाइड्रोजन का उपयोग अंतरिक्ष प्रक्षेपण वाहनों को प्रेरित करने के लिए ईंधन के रूप में किया जाता है, खासकर रॉकेट के ऊपरी चरणों में। तरल हाइड्रोजन को अक्सर इसकी उच्च ऊर्जा घनत्व और स्वच्छ दहन के कारण प्रणोदक के रूप में उपयोग किया जाता है।