水素

標準状態では、水素は化学式H ₂で表される二原子分子の気体であり、正式には「二水素」^{[ 37 ] : 308 と}呼ばれますが、「分子水素」^{[ 38 ]}または単に水素とも呼ばれます。二水素は無色無臭の可燃性ガスです。^{[ 38 ]} 

段階

液体水素は、水素の臨界点である33ケルビン（-240.2 ℃、-400.3 °F）以下の温度で存在することができる。^{[ 54 ]}しかし、大気圧下で完全に液体の状態になるには、H₂_を20.28 K（-252.87 ℃、-423.17 °F）まで冷却する必要がある。水素は、1898年にジェームズ・デュワーが再生冷却と彼の発明である真空フラスコを使用して液化に成功した。^{[ 55 ]}      

液体水素は、水素の融点である14.01 K (−259.14 °C; −434.45 °F)より低い標準圧力で固体水素になります。相I から相Vと呼ばれる明確な固体相が存在し、それぞれ特徴的な分子配列を示します。^{[ 56 ]}液体相と固体相は三重点で混在することがあり、この混合物はスラッシュ水素として知られています。^{[ 57 ]}     

金属水素は、極めて高い圧力（ 4000億Pa （58,000,000psi ）以上）で得られる相であり、電気伝導体である。木星のような巨大惑星の深部に存在すると考えられている。^{[ 56 ] [ 58 ]}   

水素は電離するとプラズマになる。これは恒星内部で水素が存在する形態である。^{[ 59 ]}

1671年、アイルランドの科学者ロバート・ボイルは、鉄粉と希酸の反応によって水素ガスが発生することを発見し、記述した。^{[ 62 ] [ 63 ]}ボイルはガスが可燃性であることには言及しなかったが、水素は燃焼のフロギストン説を 覆す上で重要な役割を果たすことになる。^{[ 64 ]}

1766年、ヘンリー・キャベンディッシュは、金属と酸の反応によって生じるガスを「可燃性空気」と名付け、水素ガスを独立した物質として初めて認識した。彼は「可燃性空気」が実際には仮説上の物質「フロギストン」^{[ 65 ] [ 66 ]}と同一であると推測し、さらに 1781年には、このガスが燃焼すると水を生成することを発見した。彼は通常、水素を元素として発見した功績を認められている。^{[ 9 ] [ 8 ]}

1783年、アントワーヌ・ラヴォアジエは、水素が燃焼すると水が生成されるというキャベンディッシュの発見をラプラスと共に再現し、後に水素として知られるようになる元素を特定した^{[ 67 ] 。 [ 8 ]}ラヴォアジエは、質量保存の法則に関する実験のために、火で加熱した白熱した鉄管に水の流れを通すことで金属鉄を処理し、水素を生成した。高温における水のプロトンによる鉄の嫌気性酸化は、以下の反応式で模式的に表すことができる。

• Fe + H₂O _→ FeO + _H₂
• 2 Fe + 3 H ₂ O → Fe ₂ O ₃ + 3 H ₂
• 3 Fe + 4 H ₂ O → Fe ₃ O ₄ + 4 H ₂

多くの金属は水と似たような反応を起こし、水素を生成する。^{[ 68 ]}状況によっては、この水素_生成プロセスが問題となる場合があり、例えば、核燃料棒のジルコニウム被覆の場合などである。^{[ 69 ]}

1806年までに水素は気球の充填に使われるようになった。^{[ 70 ]}フランソワ・アイザック・ド・リヴァズは1806年に水素と酸素の混合ガスで動く内燃機関である最初のド・ リヴァズエンジンを製作した。エドワード・ダニエル・クラークは1819年に水素ガス吹き管を発明した。ドベライナーのランプと石灰灯は1823年に発明された。水素は1898年にジェームズ・デュワーによって再生冷却と彼の発明である真空フラスコを用いて初めて液化された。彼は翌年に固体水素を製造した。 ^{[ 8 ]}    

当時理解されていなかったものの、最初に明確に認識された_量子効果の1つは、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによる、 H₂の比熱容量が室温以下では二原子ガスの比熱容量から不可解に逸脱し、極低温では単原子ガスの比熱容量にますます似てくるという観察であった。量子論によれば、この挙動は（量子化された）回転エネルギー準位の間隔に起因するものであり、 H₂_は質量が小さいため、これらの準位の間隔が特に広くなっている。これらの間隔の広い準位は、低温での水素の回転運動への熱エネルギーの均等な分配を阻害する。より重い原子で構成される二原子ガスは、このような間隔の広い準位を持たず、同じ効果を示さない。^{[ 71 ]}

1916年にギルバート・N・ルイスが第1族および第2族の塩状化合物についてヒドリド陰イオンの存在を提唱した。 1920年、モアーズは溶融水素化リチウム（LiH）を電気分解し、陽極で化学量論量の水素を生成した。^{[ 72 ]}      

水素原子は、陽子と電子のみからなる単純な原子構造を持つため、水素原子は、そこから生成される光や吸収される光のスペクトルとともに、原子構造理論の発展の中心となってきた。^{[ 73 ]}水素のエネルギー準位は、地球が太陽の周りを公転するように電子が陽子の周りを「公転」するボーアモデルを用いてかなり正確に計算できる。ただし、電子と陽子は静電引力によって結びついているのに対し、惑星や天体は重力によって結びついている。ボーアが初期の量子力学で仮定した角運動量の離散化により、ボーアモデルの電子は陽子から特定の許容距離しか占めることができず、したがって特定の許容エネルギーしか占めることができない。^{[ 74 ]}

水素は、シュレーディンガー方程式を直接解くことができる唯一の中性原子という独自の地位を有しており、そのエネルギー論の探求を通じて量子力学の理解に大きく貢献してきた。^{[ 75 ]}さらに、水素分子とそれに対応する陽イオンH + 2の単純さの研究は、化学結合の性質の理解をもたらし、これは1920年代半ばに水素原子の量子力学的取り扱いが開発された直後に起こった。^{[ 76 ]}

水素浮揚式飛行船

H _{2 は}空気のわずか 7% の密度しかないため、かつては気球や飛行船の浮揚ガスとして広く使われていました。^{[ 77 ]}最初の水素充填気球は、 1783 年にジャック・シャルルによって発明されました。水素は、 1852 年にアンリ・ジファールによって最初の水素浮揚飛行船が発明された後、最初の信頼できる航空旅行の形態に浮揚力を提供しました。ドイツの伯爵フェルディナント・フォン・ツェッペリンは、後にツェッペリンと呼ばれる水素浮揚硬式飛行船のアイデアを推進し、最初の飛行船は1900 年に初飛行しました。 ^{[ 8 ]}定期便は 1910 年に開始され、1914 年8 月に第一次世界大戦が勃発するまでに、重大な事故なく 35,000 人の乗客を運びました。水素浮揚飛行船は、第二次世界大戦中、特に米国東海岸で観測プラットフォームや爆撃機として使用されました。^{[ 78 ]}         

初の無着陸大西洋横断は、 1919年にイギリスの飛行船R34によって達成され、定期旅客サービスは1920年代に再開されました。水素は、 1937年5月6日にニュージャージー上空で火災を起こしたヒンデンブルク号で使用されました。 ^{[ 8 ]}飛行船を満たしていた水素は、おそらく静電気によって引火し、炎上しました。^{[ 79 ]}この惨事の後、商業用水素飛行船の旅行は中止されました。水素は、不燃性だが高価なヘリウムよりも好まれ、気象観測気球の浮揚ガスとして現在も使用されています。^{[ 80 ]}    

H₂_は比較的反応性が低い。この低い反応性の熱力学的根拠は、非常に強いH–H結合であり、その結合解離エネルギーは435.7 kJ/mol 。^{[ 81 ]}水素は、ジヒドロゲン錯体と 呼ばれる配位錯体を形成します。これらの種は、水素と金属触媒の相互作用の初期段階についての洞察を与えます。中性子回折によると、これらの錯体では金属と2つのH 原子が三角形を形成します。HH結合はそのままですが、伸びています。これらは酸性です。^{[ 82 ]}

地球上では珍しいイオンであるが、H + 3イオンは宇宙では一般的である。これは、前述の二水素錯体と同様に三角形の種である。これは、プロトン化分子水素または三水素カチオンとして知られている。^{[ 83 ]} 

水素は連鎖反応によって塩素と反応してHClを生成し、臭素と反応してHBrを生成する。この反応には開始剤が必要である。例えば、 _Br₂の場合、二臭素分子が分解される：Br₂ + (紫外線) → 2Br• 。伝播反応は水素分子を消費し、 HBr、Br原子、およびH原子_を生成する。     

最後に、終結反応が起こる。

残りの原子を消費する。^{[ 84 ]： 289}

アルケンやアルキンなどの不飽和有機化合物への水素（H₂ _）の付加は、水素化と呼ばれる。この反応はエネルギー的に有利であるにもかかわらず、高温でも自発的に起こることはない。微粉末状の白金やニッケルなどの触媒が存在すると、室温で反応が進行する。^{[ 85 ]： 477}

水素は+1と-1の両方の酸化状態をとることができ、イオン結合と共有結合によって化合物を形成します。この元素は、水、炭化水素、その他多数の有機化合物を含む幅広い物質の一部です。^{[ 86 ]}単一の陽子と電子がないため一般に陽子と呼ばれるH ⁺イオンは、陽子が自由に移動しないにもかかわらず、酸塩基化学の中心です。ブレンステッド-ローリーの枠組みでは、酸は塩基にH ⁺イオンを供与する能力によって定義されます。^{[ 87 ]}   

水素は炭素と非常に多様な化合物（炭化水素として知られる）を形成し、他の元素（ヘテロ原子）とはさらに多様な化合物を形成し、生物とよく関連付けられる幅広い種類の有機化合物を生み出します。^{[ 86 ]}

水素の酸化状態が −1 の水素化合物は水素化物 として知られており、通常は水素と金属の間で形成されます。水素化物は、イオン性（別名塩類）、共有結合性、または金属性があります。加熱すると、H _{2 は}アルカリ金属およびアルカリ土類金属と効率的に反応して、それぞれ式MH および MH ₂のイオン性水素化物を生成します。これらの塩のような結晶性化合物は融点が高く、すべて水と反応して水素を放出します。共有結合性水素化物には、ボランおよびポリマー状アルミニウム水素化物が含まれます。遷移金属は、金属への水素の連続的な溶解によって金属水素化物を形成します。 ^{[ 88 ]}よく知られている水素化物は、リチウムアルミニウム水素化物です。[ AlH ₄ ] ⁻アニオンは、Al(III) にしっかりと結合した水素化物中心を持っています。^{[ 89 ]}おそらく最も広範な水素化物シリーズは、ホウ素と水素のみからなる化合物であるボランです。^{[ 90 ]}  

水素化物は、末端配位子としてだけでなく、架橋配位子としてもこれらの電気陽性元素に結合することができます。ジボラン（B ₂ H ₆）では、4つの水素原子が末端にあり、2つの水素原子が2つのホウ素原子の間を架橋しています。^{[ 25 ]} 

水素は、フッ素、酸素、窒素などのより電気陰性度の高い元素と結合すると、酸素や窒素のような孤立電子対を持つ別の電気陰性度の高い元素と中程度の強さの非共有結合を形成することができる。この現象は水素結合と呼ばれ、多くの生体分子の安定性に不可欠である。^{[ 91 ]： 375 [ 92 ]}水素結合は、分子構造、粘度、溶解度、融点、沸点、さらにはタンパク質の折り畳みダイナミクスを変化させる。^{[ 93 ]}

水中では、水素結合が反応熱力学において重要な役割を果たします。水素結合はプロトン移動に転じることがあります。ブレンステッド・ローリーの酸塩基理論では、酸はプロトン供与体であり、塩基はプロトン受容体です。^{[ 94 ]： 28} 裸のプロトン （H ⁺）は、真空以外では基本的に存在できません。そうでなければ、他の原子、イオン、または分子に付着します。メタンのように不活性な化学種でさえプロトン化されることがあります。「プロトン」という用語は、他の化学種に付着した溶媒和水素カチオンを指すために、比喩的に緩やかに使用されます。単一のプロトンが種として溶液中に自由に存在することを意味せずに「H ^{+ 」}_と表記されます。溶液中の裸のプロトンの意味を避けるために、酸性水溶液は「ヒドロニウムイオン」（[ H3O ] ⁺）またはより正確には[ H9O4 ] ^{+を含むと考えられること}_があり_ます。^{[ 95 ]}水が他の溶媒と酸性溶液にある場合、他のオキソニウムイオンが見つかる。^{[ 96 ]}  

これらの溶媒和プロトンの濃度によって溶液のpHが決定され、これは酸性度または塩基性度を反映する対数スケールです 。pH値が低いほどヒドロニウムイオンの濃度が高く、より酸性の条件に対応します。^{[ 97 ]}

原子Hとしての水素は、宇宙で最も豊富な化学元素であり、質量で通常の物質の75%を占めています。^{[ 98 ]}また、原子数では90%以上を占めています。^{[ 99 ]}初期宇宙では、ビッグバン後最初の1秒で陽子が形成され、約37万年後の再結合期に、宇宙が膨張しプラズマが十分に冷えて電子が陽子に束縛されたままになったときに、中性水素原子が形成されました。^{[ 100 ]} 

天体物理学では、星間物質中の水素原子は中性水素をH  I、電離水​​素をH  IIと呼ぶ。^{[ 101 ]}星からの放射線はH  IをH IIに電離 させ、星の周囲に電離水素の球体 を形成する。宇宙の歴史において、中性水素は再電離期に星が誕生するまで優勢であり、その後、数億年かけて成長・合体した電離水素の泡が生成された。^{[ 102 ]} これらが21センチメートル水素線の源であり、1420 MHz は 、原始水素を調査するために検出されます。減衰ライマンアルファ系で発見された大量の中性水素は、 z = 4の赤方偏移までの宇宙の宇宙論的バリオン密度を支配していると考えられています。^{[ 103 ]}

水素は恒星や巨大ガス惑星に豊富に存在します。H₂の分子雲は_星形成と関連しています。水素は、低質量星では陽子-陽子反応、太陽よりも質量の大きい星では核融合のCNOサイクルを通して、恒星のエネルギー源として重要な役割を果たしています。^{[ 104 ]} 

陽子化された分子水素 （H + 3 ）は星間物質中に存在し、宇宙線による分子水素の電離によって生成されます。このイオンは木星の上層大気でも観測されています。このイオンは低温と低密度のため、宇宙空間では長寿命です。H + 3は宇宙で最も豊富なイオンの1つであり、星間物質の化学において重要な役割を果たしています。^{[ 105 ]}中性三原子水素H ₃は励起状態でのみ存在でき、不安定です。^{[ 106 ]}

水素は地球表面で3番目に豊富な元素であり、^{[ 107 ]}主に炭化水素や水などの化学化合物中に存在します。 ^{[ 25 ]}_{元素水素は通常、}標準状態では気体H₂の形で存在します。地球の大気中には非常に低い濃度で存在しています（約 水素はモル濃度で百万分率0.53 ^{[ 108 ]}）であり、その軽さゆえに、より重いガスよりも速やかに大気から脱出します。大気中の濃度は低いものの、地球上の水素は数種類の細菌の代謝を支えるのに十分な量があります。^{[ 109 ]}

マリ、フランス、オーストラリアなどいくつかの国で、大規模な地下水素ガス鉱床が発見されている。^{[ 110 ]} 2024年現在、経済的に抽出可能な地下水素の量は不明である。^{[ 110 ]}

_現在、世界の水素ガス （H₂）供給量のほぼ全ては化石燃料から生産されており、^{[ 111 ] [ 112 ]} 2025年には低排出技術で生産される水素は1%未満にとどまる見込み^{である。[ 113 ]} _H₂を生産する方法は数多く存在するが、商業的には主に3つの方法が用いられている。それは、水性ガスシフト反応と組み合わせられることが多い水蒸気改質、炭化水素の部分酸化、および水の電気分解である。^{[ 114 ]}

水蒸気改質

水素は主に水蒸気メタン改質 （SMR）、すなわち水とメタンの反応によって生成される。^{[ 115 ] [ 116 ]}したがって、高温（1,000～1,400 K [730～1,130 °C; 1,340～2,060 °F]）では、水蒸気（水蒸気）がメタンと反応して一酸化炭素とH2_を生成する。     

CH₄ + H₂O _{→ CO} + _3H₂

このプロセスで1トンの水素を生成すると、6.6～9.3 トンの二酸化炭素。^{[ 117 ]}天然ガス原料の生産では、放出メタンや漏洩メタンなどの排出物も発生し、これが水素の全体的なカーボンフットプリントにさらに寄与する。^{[ 118 ]}

この反応は低圧で促進されますが、高圧水素_が最も市場価値の高い製品であり、圧力スイング吸着（PSA）精製システムが高圧でより効率的に機能するため、高圧 （2.0 MPa [20 atm ; 590 inHg ] ）で実施されます。生成物混合物は、メタノールやその他の多くの化合物の製造に直接使用されることが多いため、 「合成ガス」として知られています。メタン以外の炭化水素を使用して、さまざまな生成物比率で合成ガスを製造できます。この高度に最適化された技術における多くの複雑な問題の一つは、コークスまたは炭素の生成です。      

CH₄ _→ C + _2H₂

したがって、水蒸気改質では通常、過剰のH ₂ Oを使用します。水蒸気から追加の水素は、水性ガスシフト反応(WGS) を介して一酸化炭素を使用して回収できます。このプロセスには酸化鉄触媒が必要です。^{[ 116 ]}  

CO + _H₂O → _CO₂ + _H₂

水素は分離されずに同じ工業プロセスで生産および消費されることがある。アンモニア製造のハーバー・ボッシュ法では、天然ガスから水素が生成される。^{[ 119 ]}

水の電気分解

水の電気分解は、水素を生成するための概念的に単純な方法である。

2 H ₂ O(l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

市販の電解槽は、強アルカリ溶液中でニッケル系触媒を使用する。白金はより優れた触媒であるが、高価である。^{[ 121 ]}再生可能エネルギーを用いた電気分解によって生成される水素は、一般的に「グリーン水素」と呼ばれる。^{[ 122 ]}

塩水の電気分解により塩素を生成する^{[ 123 ]}と同時に、副産物として高純度水素も生成され、これは水素化などのさまざまな変換に使用されます。^{[ 124 ]}

電気分解プロセスは、二酸化炭素回収・貯蔵なしでメタンから水素を製造するよりもコストがかかる。^{[ 125 ]}

水素電解装置の革新により、電気からの水素の大規模生産のコスト競争力が向上する可能性がある。^{[ 126 ]}

H ₂は、金属電極と電解質を含む水を使用した小規模な水の電気分解など、実験室環境で生成され、陰極で水素ガスが発生します。^{[ 97 ]}

水素は他の反応の副産物としてもよく生成されます。多くの金属は水と反応してH ₂を生成しますが、水素発生の速度は金属、pH、および合金化剤の存在によって異なります。多くの場合、水素発生は酸によって誘発されます。アルカリ金属とアルカリ土類金属、アルミニウム、亜鉛、マンガン、鉄は、水性酸と容易に反応します。^{[ 97 ]} 

アルミニウムなどの多くの金属は、不動態酸化皮膜を形成するため^、水との反応が遅い。しかし、アルミニウムとガリウムの合金は水と反応する。高pH溶液では、アルミニウムはH2と反応することができる。^[ ₉₇ ^] 

H _{2 を}エネルギー源として使用する場合、その貯蔵が重要になります。H 2 は溶媒に溶けにくいです。たとえば、室温、0.1ミリパスカル(9.9 × 10 ⁻¹⁰ atm )では、約  0.05モル の水素が1キログラム（2.2ポンド）のジエチルエーテルに溶解する。^{[ 88 ]} H2_は圧縮状態で貯蔵できるが、圧縮にはエネルギーを要する。水素の臨界温度が低いため、液化は実用的ではない。対照的に、アンモニアや多くの炭化水素は室温で加圧下で液化できる。これらの理由から、水素キャリア（ H2_を可逆的に結合する材料）は大きな注目を集めている。重要な問題は、キャリア材料中の_H2当量の重量パーセントである。例えば、水素は多くの希土類元素や遷移金属に可逆的に吸収され^{[ 144 ]} 、ナノ結晶金属と非晶質金属の両方に溶解する。^{[ 145 ]}金属中の水素溶解度は、結晶格子の局所的な歪みや不純物によって影響を受ける。^{[ 146 ]}これらの特性は、水素を高温のパラジウムディスクに通して精製する際には有用かもしれないが、ガスの高い溶解度は冶金上の問題でもあり、多くの金属の脆化につながり、 ^{[ 147 ]}パイプラインや貯蔵タンクの設計を複雑にする。^{[ 148 ]}  

金属水素化物を用いた貯蔵の最も問題となる点は、その水素含有量がわずかで、多くの場合1%程度であることです_。 このため、低分子量化合物への_水素 貯蔵が注目されています。例えば、アンモニアボラン（H₃N −BH₃ _）は19.8重量%の水素_を含んでいます。この物質の問題点は、水素を放出した後、生成した窒化ホウ素が水素を再添加しないことです_{。つまり、}アンモニアボランは不可逆的な水素キャリアです。^{[ 149 ]}テトラヒドロキノリンなどの炭化水素は、触媒の存在下で加熱すると可逆的に水素を放出するため、より魅力的です_。^{[ 150 ]}   

化石燃料の「アップグレード」には大量のH ₂が使用されます。H ₂の主な消費対象には、水素化脱硫と水素化分解があります。これらの反応の多くは水素化分解、つまり水素による結合の切断に分類できます。液体化石燃料からの硫黄の分離はその一例です。^{[ 114 ] [ 152 ]}

水素化、つまりさまざまな基質へのH ₂の添加は大規模に行われています。N ₂の水素化は、ハーバー法によってアンモニアを生成します。^{[ 152 ]}

このプロセスは、業界全体のエネルギー予算の数パーセントを消費し、水素の最大の消費源です。生成されたアンモニアは肥料生産に広く使用されており、これらの肥料は現代農業において不可欠な原料となっています。^{[ 153 ]}水素化は、不飽和脂肪と油を飽和脂肪と油に変換するためにも使用されます。主な用途はマーガリンの製造です。メタノールは二酸化炭素の水素化によって生成されます。このプロセスで使用される水素と一酸化炭素の混合物は合成ガスとして知られています。^{[ 154 ] : 3.1} H ₂は、一部の鉱石を金属に変換するための還元剤としても使用されます。 ^{[ 155 ] [ 97 ]}

 水素（H₂ _）を燃料として利用する可能性については、広く議論されてきた。水素は燃料電池で電気を生成するために使用することも、^{[ 156 ]}燃焼させて熱を発生させることもできる。^{[ 157 ]}燃料電池で水素が消費される場合、使用地点での排出物は水蒸気のみである。^{[ 157 ]}燃焼させた場合、水素は燃焼地点で比較的少ない汚染物質しか発生させないが、有害な窒素酸化物の熱生成につながる可能性がある。^{[ 157 ]}

温室効果ガスの排出量が少ない、またはゼロの水素（グリーン水素）が製造される場合、化石燃料を電力の直接使用に置き換えることに課題や限界があるエネルギーシステムの脱炭素化において重要な役割を果たすことができる。^{[ 158 ] [ 125 ]}

水素燃料は、鉄鋼、セメント、ガラス、化学薬品の工業生産に必要な強烈な熱を発生させることができ、製鉄用の電気アーク炉などの他の技術とともに産業の脱炭素化に貢献します。^{[ 159 ]}しかし、アンモニアや有機化学薬品のよりクリーンな生産のための工業原料を提供する上で、より大きな役割を果たす可能性が高いです。^{[ 158 ]}例えば、製鉄では、水素はクリーンな燃料としてだけでなく、石炭由来のコークス（炭素）を置き換える低炭素触媒としても機能する可能性があります。 ^{[ 160 ]}

輸送の脱炭素化に用いられる水素は、アンモニアやメタノールなどの水素由来合成燃料や燃料電池技術の使用を通じて、船舶、航空、そして程度は低いものの大型貨物車両において最大の用途が見出される可能性が高い。^{[ 158 ]}乗用車を含む小型車両においては、水素は他の代替燃料車に比べて大きく遅れており、特にバッテリー式電気自動車の普及率と比較すると、将来的に大きな役割を果たすことはないかもしれない。^{[ 161 ]}

液体水素と液体酸素は、スペースシャトルのメインエンジンなどの液体燃料ロケットの極低温推進剤として使用されます。NASAは、原子状水素、ホウ素、または炭素を液体ヘリウム中に懸濁させた固体分子状水素粒子に凍結させたロケット推進剤の使用を調査しました。加熱すると、混合物が気化して原子種が再結合し、混合物が高温になります。^{[ 162 ]}

変動する再生可能電力の余剰がある場合に生成される水素は、原理的には貯蔵して後で熱を発生させたり、電力を再生したりするために使用できる。^{[ 163 ]}さらに、アンモニアやメタノールなどの合成燃料 に変換することもできる。^{[ 164 ]}水素燃料の欠点としては、水素の爆発性、他の燃料に比べて体積が大きいこと、材料を脆くする傾向があることによる貯蔵と流通のコストが高いことが挙げられる。^{[ 118 ]}水素を使用する施設を鉱業の中心地に併設することで、流通の経済的不利を軽減できる。^{[ 165 ]}

衛星電源システム用に開発された非常に長寿命の充電式ニッケル水素電池は、^加 圧された気体状のH₂を使用しています。^[ ₁₆₆ ^]国際宇宙ステーション^{[ 167 ]}、マーズ・オデッセイ^{[ 168 ]}、マーズ・グローバル・サーベイヤー^{[ 169 ]}にはニッケル水素電池が搭載されています。ハッブル宇宙望遠鏡も軌道の暗い部分でニッケル水素電池で駆動しており、打ち上げから19年以上、設計寿命を13年超えた2009年5月にようやく交換されました。 ^{[ 170 ] [ 171 ]}   

半導体製造では、アモルファスシリコンとアモルファスカーボンの切断された（「ダングリング」）結合を飽和させるために水素が使用され、材料の特性の安定化に役立ちます。^{[ 172 ]}製造の意図しない副産物として導入された水素は、ZnOでn 型伝導性をもたらす浅い電子ドナーとして機能し、トランスデューサーや蛍光体で重要な用途があります。^{[ 173 ] [ 174 ]} ZnO とMgOの詳細な分析により、4 重および 6 重の水素多中心結合の証拠が示されています。^{[ 175 ]}水素の ドーピング挙動は材料によって異なります。^{[ 176 ] [ 177 ]}

上記以外にも、水素は小規模ながら以下のような用途にも使用されています。

• シールドガス：水素は、原子水素溶接などの溶接方法でシールドガスとして使用されます。^{[ 178 ] [ 179 ]}

• 冷却材：水素は、熱伝導率が高く密度が低いため、大型発電機の冷却材として使用されています。 ^{[ 180 ]}最初の水素冷却式ターボ発電機は、 1937年にオハイオ州デイトンで、ローターとステーターの冷却材として気体水素を使用して稼働を開始しました。^{[ 181 ]} 
• 極低温研究：液体水素_は、超伝導研究を含む極低温研究に使用されます。^{[ 182 ]}
• 食品産業：水素は認可された食品添加物（E949）^{[ 183 ]}​​であり、包装ガスとして使用され^{[ 184 ]} 、抗酸化特性も有しています^{[ 185 ] 。}
• 漏洩検知: 純粋な水素、または窒素と混合した水素（成形ガスと呼ばれることもある）は、微量の漏洩を検知するためのトレーサーガスです。自動車、化学、発電、航空宇宙、電気通信産業で応用されています。^{[ 186 ]}また、食品包装の漏洩検査にも使用できます。

• 中性子減速：重水素（水素2）は、中性子を減速させる減速材として核分裂反応で使用されます。
• 核融合燃料：重水素は核融合反応に使用されます。^{[ 8 ]}
• 同位体標識：重水素化合物は、化学や生物学において、反応速度に対する同位体効果の研究に応用されている。 ^{[ 187 ]}

• トリチウムの用途：原子炉で生成されるトリチウム（水素3）は、水素爆弾の製造[ ^{188 ] 、}生物科学における同位体標識^{[ 31 ]} 、計器の文字盤や緊急標識用の放射線発光塗料のベータ線源^{[ 26 ]}として使用されます。