氢是洁净能源，人类如何利用氢能呢？关于氢的利用，科学家首先利用的是它的低密度性质，即轻的特性制作飞艇。1783年，法国科学家夏尔发明了氢气球，并成功地完成了在巴黎上空的飞行。1784-1786年间，氢气球飞行器多次成功飞行于欧洲大陆上空。从氢气球出发，科学家开发出了飞艇飞行器，尤其是1928年德国成功制造出“齐柏林号”飞艇，首次把人们从德国运送到南美洲，实现了空中飞渡大西洋的航程，在专门开辟的洲际航线上运行了近10年，航程16万多千米，运送旅客1.3万人次。不过，在1937年德国的兴登堡号飞艇事故发生后，氢气飞艇飞行器也自行终止了。
氢作为燃料可像天然气一样燃烧，特别是液态氢和固体氢燃料更具优势。早在第二次世界大战期间，德国率先开发出了A-2火箭飞弹，其燃料就是液态氢。1960年，液态氢首次被用作航天动力燃料。1970年美国成功发射“阿波罗”登月飞船，其火箭推进剂也是液态氢。现在液态氢已是火箭领域的常用燃料。对现代航天飞机而言，减轻燃料自重，增加有效载荷变得更为重要。氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2/3，这对航天飞机无疑是极为有利的。先进的航天飞机发动机的推进剂大多是液态氢，以纯氧作为氧化剂，液态氢就装在外部推进剂桶内，每次发射需用1450立方米，重约100吨。目前，科学家们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船，固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。
随着制氢技术的不断提高，越来越多的氢燃料有望用于驱动现代内燃机车。早在1820年，氢气内燃机的概念已经提出了。在普通内燃机的基础上，经过100多年氢内燃机研究，目前基本上没有不可逾越的技术障碍。目前已经有多种氢内燃机问世，特别是德国宝马集团、美国福特公司和日本三菱集团走在世界的前列。
氢作为内燃机燃料存在如下问题：
第一，早燃。早燃指在火花塞点火以前，混合气已被一些热点点燃，开始燃烧。这些热点可能是燃烧室中的尖角、火花塞的过热电极、排气门、机油高温分解的碳粒、杂质的过热沉积物等。在浓混合气体发生早燃时，火焰的传播速度极快，压力急剧升高，使发动机正常工作遭到破坏。
第二，回火。回火指在进气过程中进气门尚未关闭时气缸内混合气未经火花塞点燃而被热点引燃，火焰传播到进气管内的一种不正常现象。氢燃气浓度较高时进气管内回火会造成强烈的噪声，容易损坏发动机。
第三，进气过程中回火。当以稀混合气运转时，燃烧速度慢，燃烧过程从排气行程待续到进气行程时，当进气门升启时燃烧尚未完毕，此时会点燃可燃混合气而引起回火。这种回火会造成发动机工作不稳定。
第四，爆燃。由于氢的滞燃期短，火焰传播速度相当高，导致燃气压力急剧增加，燃烧过早结束，飞轮因克服不了压缩功，会造成突然停车。
经过多年研究，科学家认为适当采取一些措施可减缓混合气着火的化学准备过程及火焰传播速度，降低燃烧温度，并尽可能减少热点形成的趋势，即可防止发生早燃和回火。例如采用尾气再循环，向气缸中引入一部分发动机排出的尾气，增加气缸中惰性气体的含量，减少混合气中氧气的含量，同时也会减缓着火的化学过程，降低燃烧度和燃烧速度。实验表明，这是控制早燃、回火等异常燃烧的有效措施，并可有效降低氮化物的排放量。缺点是由于尾气进入了气缸，减少了新鲜混合气的含量，功率有所下降。也可向气缸中氢－空气混合物喷水，通过喷入水的蒸发，吸收一部分热量，从而降低燃烧温度，减缓着火前的化学过程和燃烧速度。实验表明，这也是控制早燃、回火的有效措施，可有效降低氮化物的排放量，同时可以避免功率的下降。缺点是机油容易乳化，丧失润滑能力，并锈蚀气缸壁等。还可适当提高压缩比，相对增加冷激面积；同时压缩比升高，膨胀比也大，膨胀后期的排气温度降低，使燃烧室壁面温度降低，一些炽点温度也会降低。试验表明，压缩比提高，排气温度明显降低，可在一定程度上抑制早燃、回火现象，也可提高输出功率。
在超音速飞机和远程洲际客机上以氢作为发动机燃料的研究已进行多年，目前已进入样机和试飞阶段。在交通运输方面，美、德、法、日等汽车大国早已推出氢燃料的示范汽车，并进行了几十万千米的道路运行试验。其中美、德、法等国是采用氢化金属储氢，而日本则采用液态氢。试验证明，氢燃料汽车在经济性、适应性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在储氢密度小和成本高两大难题。前者使汽车连续行驶的路程受限制，后者主要是由于液态氢供应系统费用过高所致。美国和加拿大已联手合作计划开发液氢燃料铁路机车。
氢燃料电池是当前最接近产业化的氢能利用技术，它是一种将存在于氢燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。这种装置的最大特点是反应过程不涉及燃烧，其能量利用效率不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率高达60％～80％，实际使用效率是普通内燃机的2～3倍。另外它还具有燃料多样化、排气干净、噪声小、环境污染低、可靠性高及维修性好等优点。燃料电池被认为是21世纪全新的高效、节能和环保的发电方式。燃料电池与常规电池的不同之处是，只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。燃料电池与常规的火力发电相比能量转换效率高，特别是采用燃料电池和氢气－蒸汽联合循环发电，能量转换效率远高于现有的火电厂。燃料电池使用方便，可广泛应用于交通运输行业、家用电器、旅行电器、特种电器等各类静止式和移动式需电设施。