L'idrogeno è di gran lunga l'elemento più abbondante nell'universo, costituendo il 75% della massa di tutta la materia visibile in stelle e galassie. Rappresenta l'elemento più semplice di tutti. Si può immaginare un atomo di idrogeno come un nucleo centrale denso con un singolo elettrone in orbita, molto simile a un unico pianeta in orbita attorno al sole. Nella maggior parte degli atomi di idrogeno, il nucleo è costituito da un singolo protone, sebbene una forma rara (o "isotopo") di idrogeno contenga sia un protone che un neutrone. La maggior parte della massa di un atomo di idrogeno è concentrata nel suo nucleo. Infatti, il protone è più di 1800 volte più massiccio dell'elettrone. I neutroni hanno quasi la stessa massa dei protoni. Tuttavia, il raggio dell'orbita dell'elettrone, che definisce la dimensione dell'atomo, è circa 100.000 volte più grande del raggio del nucleo! È chiaro che gli atomi di idrogeno consistono in gran parte di spazio vuoto. Un protone ha una carica elettrica positiva e un elettrone ha una carica negativa. I neutroni non portano carica. Insieme, le cariche associate con il protone e l'elettrone di ogni atomo di idrogeno si annullano a vicenda, in modo che singoli atomi di idrogeno siano elettricamente neutri. Chimicamente, l'arrangiamento atomico di un singolo elettrone che orbita intorno a un nucleo è altamente reattivo. Per questa ragione, gli atomi di idrogeno si combinano naturalmente in coppie molecolari (H2 invece di H).
È naturale per noi confrontare l'idrogeno con altri combustibili idrocarburici con i quali siamo più familiari. Tutti i combustibili idrocarburici sono combinazioni molecolari di atomi di carbonio e idrogeno. Il più semplice di tutti gli idrocarburi è il metano, che è il principale costituente del gas naturale. Il metano ha la formula chimica CH4, il che significa che ogni molecola ha quattro atomi di idrogeno e uno di carbonio. Altri comuni idrocarburi sono etano (C2H6), propano (C3H8) e butano (C4H10). La benzina è composta da una miscela di diversi idrocarburi, ma un componente importante è l'eptano (C7H16). Benzina, diesel, cherosene e composti presenti nell'asfalto, oli pesanti e cere, sono considerati idrocarburi pesanti poiché contengono molti atomi di carbonio per molecola, e quindi hanno un peso molecolare elevato. Gli idrocarburi più leggeri sono gas a pressione e temperatura atmosferica normale. Gli idrocarburi più pesanti, con 5 a 18 atomi di carbonio per composto, sono liquidi a condizioni ambientali e hanno una viscosità crescente con il peso molecolare. Altri combustibili chimici includono alcoli le cui molecole combinano una coppia atomo di ossigeno/idrogeno (OH) con uno o più gruppi idrocarburici. I comuni combustibili alcolici sono metanolo (CH3OH) e etanolo (C2H5OH). Questi possono essere miscelati con idrocarburi per l'uso in motori a combustione interna.
Di solito, le persone vedono l'idrogeno come un gas molto pericoloso, a causa della sua alta probabilità di accensione. Altri gas, come il metano, GPL o anche i vapori di benzina, normalmente usati come combustibili, hanno caratteristiche simili o addirittura più pericolose. Per esempio, prendiamo il campo di infiammabilità del combustibile aria. Il campo di infiammabilità di un gas è definito in termini del suo limite inferiore di infiammabilità (LFL) e del suo limite superiore di infiammabilità (UFL). Il LFL di un gas è la più bassa concentrazione di gas che sosterrà una fiamma auto-propagante quando mescolato con aria e acceso. Sotto il LFL, non c'è abbastanza combustibile presente per sostenere la combustione; la miscela aria/combustibile è troppo magra. L'UFL di un gas è la più alta concentrazione di gas che sosterrà una fiamma auto-propagante quando mescolato con aria e acceso. Sopra il UFL, non c'è abbastanza ossigeno presente per sostenere la combustione; la miscela aria/combustibile è troppo ricca. Tra i due limiti c'è il campo infiammabile nel quale il gas e l'aria sono nelle proporzioni giuste per bruciare quando accesi.
Nonostante la sua abbondanza nell'universo, l'idrogeno non si verifica liberamente sulla terra, in quanto reagisce molto prontamente con altri elementi. Per questo motivo, la gran parte dell'idrogeno è legata in composti molecolari. Ottenere idrogeno significa rimuoverlo da queste altre molecole. Con riferimento all'energia richiesta, è facile rimuovere l'idrogeno da composti che sono in uno stato energetico più elevato, come i combustibili fossili. Questo processo rilascia energia, riducendo la quantità di energia di processo necessaria. Richiede più energia estrarre l'idrogeno da composti che sono in uno stato energetico più basso, come l'acqua, poiché l'energia deve essere aggiunta al processo. Il processo di estrazione dell'idrogeno dall'acqua si chiama elettrolisi. In linea di principio, l'elettrolisi può essere completamente non inquinante e rinnovabile, ma richiede l'ingresso di grandi quantità di energia elettrica. Di conseguenza, l'impatto ambientale totale dell'acquisizione di idrogeno attraverso l'elettrolisi dipende in gran parte dagli impatti della fonte di energia. Nell'elettrolisi, l'elettricità viene utilizzata per decomporre l'acqua nei suoi componenti elementari: idrogeno e ossigeno. L'elettrolisi è spesso indicata come il metodo preferito di produzione di idrogeno in quanto è l'unico processo che non deve fare affidamento sui combustibili fossili. Ha anche un'elevata purezza del prodotto ed è fattibile sia su piccola che su larga scala.
