本发明涉及臭氧制备领域，特别涉及一种多层PEM膜水解臭氧装置，包括分解池、质子交换组件、池盖及臭氧发生组件，池盖密封连接于分解池的顶部，多组质子交换组件和臭氧发生组件均位于分解池的内部；质子交换组件包括框架和PEM膜；框架包括第一框架和第二框架；第一框架和第二框架之间通过螺丝连接并夹装有PEM膜，第一框架和第二框架上均安装有网框，且网框与PEM膜对正设置。本发明中通过将PEM膜夹持在第一框架和第二框架之间，第一框架和第二框架通过开口、滑槽安装在分解池中，在需要更换PEM膜时，将第一框架和第二框架从开口、滑槽拉出分解池，然后分解第一框架和第二框架，进行更换PEM膜即可，方便了PEM膜的更换。